藝術(shù)家關(guān)于兩個(gè)并合中的中子星的想象。窄束代表著伽馬暴，而扭曲的時(shí)空網(wǎng)格標(biāo)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(tuán)塊是從并合的雙星中拋射出的物質(zhì)，可能導(dǎo)致了較低能量的電磁信號(hào)源。（來源：國(guó)家科學(xué)基金會(huì)/LIGO/索諾馬州立大學(xué)/A. Simonnet

隨著科學(xué)家宣布首次直接探測(cè)到了來自雙中子星并合的引力波后，10月17日，清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組發(fā)布最新引力波探測(cè)和研究成果。

清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織負(fù)責(zé)人曹軍威向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹：“這標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺(tái)和其他望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到了同一個(gè)天體物理事件，這次發(fā)現(xiàn)打開了等待已久的多信使天文學(xué)的新窗口，引力波天文學(xué)為理解中子星的性質(zhì)提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會(huì)。”

此次LIGO-Virgo的結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快訊》期刊上，由LIGO-Virgo和其他天文學(xué)家合作撰寫的系列相關(guān)論文也已經(jīng)被《天體物理雜志快訊》和《自然》接受。

發(fā)現(xiàn)雙中子星系統(tǒng)

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。中子星直徑約20千米，極其致密，一小勺中子星物質(zhì)的質(zhì)量可達(dá)10億噸。

雙中子星為廣義相對(duì)論提供了極強(qiáng)的觀測(cè)檢驗(yàn)，包括支持引力波存在的第一個(gè)堅(jiān)定證據(jù)。在LIGO發(fā)展的早期，雙中子星并合被認(rèn)為是引力波觀測(cè)的首要目標(biāo)。

清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織成員范錫龍表示，LIGO的數(shù)據(jù)表明兩個(gè)距離地球1.3億光年的天體相互旋進(jìn)，并且這個(gè)天體系統(tǒng)的質(zhì)量沒有雙黑洞大。相反，這兩個(gè)相互旋進(jìn)的天體的質(zhì)量估計(jì)為1.1～1.6倍太陽質(zhì)量，恰好是中子星的質(zhì)量范圍。對(duì)于噪音背景的分析顯示，這種強(qiáng)度的信號(hào)是由一致性隨機(jī)噪音產(chǎn)生的，概率低于每8萬年一次。

雙中子星系統(tǒng)可以通過萬有引力作用相互吸引和旋進(jìn)，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(hào)正好位于激光干涉儀的靈敏頻段內(nèi)，因此有機(jī)會(huì)被觀測(cè)到。

同時(shí)，中子星并合以后還會(huì)發(fā)出伽馬光子，該信號(hào)在引力波到達(dá)地球2秒鐘之后也被觀測(cè)到。在其后的數(shù)天和數(shù)星期內(nèi)，這場(chǎng)壯麗的并合事件仍會(huì)繼續(xù)發(fā)出其他頻段的光，或者說電磁信號(hào)——包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波。

觀測(cè)引力波信號(hào)GW170817

2017年8月17日晚上8時(shí)41分（北京時(shí)間），一個(gè)被命名為GW170817的引力波信號(hào)被觀測(cè)到。這次觀測(cè)由兩個(gè)相同的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)器完成，位于意大利比薩附近的室女座干涉儀（Virgo）探測(cè)器提供的信息可以提升引力波事件的空間定位能力。

來自英國(guó)格拉斯哥大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織的Ik Siong Heng解釋道：“對(duì)每個(gè)探測(cè)器而言，總有某個(gè)天空區(qū)域，來自那里的信號(hào)不容易被探測(cè)到。由于這個(gè)信號(hào)在兩個(gè)LIGO探測(cè)器中輕易可見，但Virgo卻觀測(cè)不到，這意味著信號(hào)來自天空中的某個(gè)位置，這一事實(shí)對(duì)于定位起到了至關(guān)重要的作用。”

據(jù)了解，LIGO和Virgo探測(cè)到4次來自雙黑洞的引力波信號(hào)，在LIGO探測(cè)器的敏感頻段內(nèi)只能持續(xù)不到一秒的時(shí)間。然而，GW170817持續(xù)了100秒，并且掃過了LIGO的整個(gè)靈敏頻段——這個(gè)頻段與一個(gè)普通樂器能產(chǎn)生的聲波頻段幾乎相同，科學(xué)家們可以識(shí)別這個(gè)天體源的質(zhì)量遠(yuǎn)比迄今觀測(cè)到的所有黑洞的質(zhì)量都要小得多。

Ik Siong Heng說：“在GW170817的信號(hào)中，在兩星并合前的大約100秒，它們相距400公里，卻在每秒內(nèi)繞了12圈。每轉(zhuǎn)一圈，引力波的輻射迫使它們?cè)桨l(fā)接近。隨著軌道的收縮，它們速度越來越快，引力波的強(qiáng)度和頻率也不斷增加。軌道的逐漸收縮過程被稱為‘旋近’，而頻率的提升被稱作‘啁啾’信號(hào)。這一過程逐漸加快直到雙星并合而形成單個(gè)遺跡。”

打開多信使天文學(xué)新窗口

在引力波網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)到GW170817信號(hào)后的1.7秒，命名為GRB170817A的伽馬射線暴被費(fèi)米伽馬射線爆監(jiān)視系統(tǒng)探測(cè)到。LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)的快速引力波探測(cè)分析，以及費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的伽馬暴探測(cè)，啟動(dòng)了世界范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡后繼觀測(cè)。

來自法國(guó)LAL Orsay Virgo合作組織的Sarah Antier說：“這是有史以來人類第一次同時(shí)觀測(cè)到來自同一個(gè)天文文事件的引力波與電磁波，這展示了聯(lián)合著引力波、電磁波和中微子的不同研究團(tuán)隊(duì)之間的合作的重要性，也標(biāo)志著多信使天文學(xué)與時(shí)域天文學(xué)新時(shí)代的到來。”

在最初探測(cè)之后的幾分鐘內(nèi)，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開始了忙碌的觀測(cè)，其中不乏活躍的“中國(guó)背影”。我國(guó)第一顆空間硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡“慧眼”在引力波事件發(fā)生時(shí)成功監(jiān)測(cè)了引力波源所在的天區(qū)，中國(guó)第二臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2探測(cè)到此次引力波事件的光學(xué)信號(hào)。

而清華大學(xué)信息技術(shù)研究院LIGO科學(xué)合作組織工作組自2009年成為L(zhǎng)IGO科學(xué)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(xiàn)，工作組近兩年來在引力波實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理和多信使天文學(xué)方面開展了算法設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與軟件開發(fā)等方面的工作。

曹軍威說：“當(dāng)前對(duì)于GW170817仍存在的兩個(gè)最大的疑問。相關(guān)的電磁信號(hào)顯示，雙星系統(tǒng)中的至少一個(gè)物體是中子星，但并不表示兩個(gè)都是，因此GW170817也有可能是一個(gè)中子星黑洞系統(tǒng)。然而，鑒于與已知中子星的質(zhì)量相類似，我們?nèi)匀黄�向這是雙中子星系統(tǒng)的解釋。另一個(gè)未解答的問題是GW170817并合之后變成了什么，有兩種可能性：一種是變成已知最大的中子星，另一種是變成已知質(zhì)量最小的黑洞，這些可能性都很誘人，這將會(huì)讓我們繼續(xù)開展研究。”