2017年10月16日，科學家宣布首次直接探測到了由雙中子星并合產(chǎn)生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號。這次發(fā)現(xiàn)是由位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）和位于歐洲的室女座干涉儀（Virgo）引力波探測器，以及其他70個地面及空間望遠鏡共同完成的。這標志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件。
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本次發(fā)現(xiàn)的重點摘要：
? 有史以來，人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波與電磁波。
? 首次發(fā)現(xiàn)雙中子星引力波
? 人類第一次看到引力波體的電磁信號
這個被命名為GW170817的引力波信號于2017年8月17日晚上8時41分（北京時間）被觀測到。這一事件發(fā)生在LIGO-Virgo首次聯(lián)合探測到雙黑洞并合之后僅僅三天。這次觀測由兩個相同的LIGO探測器完成，它們一個位于美國華盛頓州的漢福德，另一個位于路易斯安那州的利文斯頓。由位于意大利比薩附近的Virgo探測器提供的信息可以提升引力波事件的空間定位能力。
圖1： 這些圖顯示了GW170817信號在每個LIGO和Virgo探測器中的頻譜。水平軸是時間，豎直軸是頻率。信號從左側(cè)靠低處開始，提升至右側(cè)的陡峭曲線。
“雙中子星并合”被認為是引力波觀測的首要目標
這一次的引力波由長蛇座中星系NGC 4993的兩顆中子星并合所致，中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，是大質(zhì)量恒星在演化的最后階段經(jīng)過超新星爆發(fā)形成的。雙中子星系統(tǒng)可以通過萬有引力作用相互吸引和旋進，并發(fā)出引力波。在最終并合前的100秒以內(nèi)發(fā)出的引力波信號正好位于激光干涉儀的靈敏頻段內(nèi)，因此有機會被觀測到。同時，中子星并合以后還會發(fā)出短伽瑪射線暴，該信號在引力波到達地球2秒鐘之后也被觀測到。
圖2：長蛇座的NGC 4993星系（模糊的亮點）
圖3：藝術家關于兩個并合中的中子星的想象。窄束代表著伽瑪暴，而扭曲的時空網(wǎng)格標志著由并合產(chǎn)生的各向同性的引力波。旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)團塊是從并合的雙星中拋射出的物質(zhì)，可能導致了較低能量的電磁信號源。（來源：國家科學基金會/LIGO/索諾馬州立大學/A. Simonnet。）
雙中子星并合的引力波信號一直是引力波天文學家們所期望的。中子星的想法最初是在80多年前的1934年提出的，經(jīng)過33年之后，才第一次被觀測到。1967年，天蝎座X-1的X射線輻射被證實來自一個中子星，而在同一年，第一個射電脈沖星被發(fā)現(xiàn)，從那時起，一些雙中子星系統(tǒng)也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。雙中子星為廣義相對論提供了極強的觀測檢驗，也成為支持引力波存在的第一個堅定證據(jù)，隨著中子星在宇宙中越來越常見，在LIGO發(fā)展的早期，雙中子星并合被認為是引力波觀測的首要目標。
圖4：顯示由LIGO和Virgo推定的GW170817位置。兩個橢圓（藍色和綠色）分別顯示了兩種不同LIGO分析代碼得出的定位。十字符號顯示了天蛇座中NGC 4993星系的位置。右側(cè)底部的圖顯示了科學家通過分析引力波估算出的到源的距離。
之前LIGO和Virgo探測到4次來自雙黑洞的引力波信號，在LIGO探測器的敏感頻段內(nèi)只能持續(xù)不到一秒的時間，然而，在8月17日探測到的這個信號持續(xù)了100秒，并且掃過了LIGO的整個靈敏頻段——這個頻段與一個普通樂器能產(chǎn)生的聲波頻段幾乎相同。數(shù)據(jù)表明這是兩個距離地球1.3億光年的天體相互旋進而產(chǎn)生的信號，質(zhì)量也沒有雙黑洞大，相反，這兩個相互旋進的天體的質(zhì)量估計為1.1~1.6倍太陽質(zhì)量，恰好是中子星的質(zhì)量范圍。
人類第一次看到引力波體的電磁信號
這次的發(fā)現(xiàn)打開了等待已久的多信使天文學的新窗口，就在 GW170817引力波信號到達之后不到兩秒的時間內(nèi)，NASA的費米衛(wèi)星就探測到了一個伽瑪射線暴，命名為GRB170817A。隨即，全世界各地的望遠鏡都開始了忙碌的觀測。在接下來的幾個星期內(nèi)，天文學家在光譜不同波段上都投入了觀測設備，這些觀測都驗證了這一假設：NGC4993中的兩個中子星并合，同時產(chǎn)生了引力波、短伽瑪暴和千新星。在2015年以前，引力波的觀測是缺席的；2015年到不久前，探測到的引力波事件都是雙黑洞并合，沒有令人信服的電磁波對應物被探測到，這次的引力波探測首次實現(xiàn)了引力波與電磁波各波段的聯(lián)合觀測。
圖5： 引力波、伽馬射線和可見光的位置。左邊的小格子展示了90%置信區(qū)間投影區(qū)域，分別來自LIGO（淺綠色），LIGO-Virgo（深綠色），來自費米與INTEGRAL時間延遲得到的三角定位（淺藍色），費米GBM（深藍色）。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來自并合后10.9小時的Swope光學發(fā)現(xiàn)圖片（右上方）與在并合20.5天前的圖片（右下方）。
有史以來，人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波與電磁波，兩者的協(xié)同觀測，展示了聯(lián)合引力波、電磁波和中微子的不同研究團隊之間合作的重要性，標志著多信使天文學與時域天文學的新時代就此開啟。
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LIGO由美國國家自然科學基金（NSF）資助，加州理工學院和麻省理工學院負責建造和運行，德國（MPG）、英國（STFC）和澳大利亞（ARC）也作出了重要貢獻。來自世界各地的1200多名科學家通過LIGO科學合作組織參與具體工作，其中包括GEO合作組織。我國清華大學信息技術研究院也成立了LIGO科學合作組織工作組，該工作組由信息技術研究院曹軍威、范錫龍和計算機系都志輝、郭翔宇（已經(jīng)研究生畢業(yè)）組成，自2009年成為LIGO科學合作組織正式成員，參與了迄今為止的所有引力波發(fā)現(xiàn)并作出貢獻，工作組近兩年來在引力波實時在線數(shù)據(jù)處理和多信使天文學方面開展了算法設計、性能優(yōu)化與軟件開發(fā)等方面的工作。
Virgo合作組織由來自20個不同的歐洲研究團隊的280名物理學家和工程師組成：6個來自法國的CNRS、8個來自意大利的INFN、2個來自荷蘭的Nikhef、還有各1個分別來自匈牙利、波蘭和西班牙。Virgo探測器位于意大利比薩的歐洲引力天文臺。
清華大學信息技術研究院研究員、副院長，國際激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織理事會成員曹軍威，中國科學院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負責人、中國科學院大學教授茍利軍為本文提供部分撰寫資料，特此感謝。
文章由企鵝科學和科普中國聯(lián)合推出
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