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海归学者发起的公益学术平台 分享信息，整合资源 交流学术，偶尔风月 三十多年前的1981年5月6日，两位大物理学家，加州理工学院的Kip Thorne 和普林斯顿大学的Jeremiah Ostriker（做过普林斯顿教务长，曾荣获美国国家科学奖章）立下一个有趣的赌约： 尽管Jeremiah Ostriker和Kip Thorne都坚信爱因斯坦方程的有效性 而且两人都坚信这些方程预言引力波的存在 而且两人都坚信大自然会提供物理规律所预言的现象 而且两人都坚信科学家能够最终探测到大自然所提供的任何现象 但是他们对大自然信号源的强度以及近期可验证探测的可能性存在分歧 因此两人立下此注，赌一箱好红酒。如果人类在2000年1月1日前探测到引力波，则Ostriker输给Thorne一箱法国红酒。反之，Thorne则输给Ostriker一箱加州红酒。 Jeremiah Ostriker 结果如何呢？ LIGO虽然最终探测到引力波，而且Thorne刚刚也荣获了诺贝尔奖，可是这一切都晚了15年！2000年，Thorne不得不签字画押认输，有文末照片为证。 Barry Barish 与 Kip Thorne在加州理工校园 这个赌约是如此Inspring! 如果我们也坚信爱因斯坦方程的有效性，坚信大自然会提供物理规律所预言的现象，坚信科学家能够最终探测到大自然所提供的任何现象，那么下一场可能的豪赌会是什么呢？天文学家把眼光投向了对引力波源电磁对应体的搜寻 --人类到底能不能找到引力波源电磁对应体？或者更准确的说，人类究竟什么时候才能找到引力波源电磁对应体？ 随着众望所归的引力波物理诺奖的颁发，高频引力波研究正大刀阔斧地开创着引力波天文学的新天地。大家都说引力波天文学时代已经开始，传说中的引力波新信号也是除了LVC之外人尽皆知的公开秘密。人人都想赶上这新时代，但是引力波天文学的新天地里，又会有怎样的绚丽风景呢？知社特约国内相关领域一线年轻学者撰写了几个特别迷人的景点介绍，合成引力波天文学之系列刊发，以飨读者。 特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。 引力波天文学（一）：如何确定LIGO引力波源的电磁对应体 刘进忠（中国科学院新疆天文台） 刘进忠：中国科学院新疆天文台副研究员，光学天文与技术应用研究室副主任，硕士生导师，中国科学院“青促会”成员。主要从事致密双星系统引力波源的理论研究及电磁对应体的搜寻等工作，主持了包括国家自然科学基金、美国“邓普顿”基金-国家天文台联合项目和科学院“西部之光”等研究项目，目前参与了中国科学院先导B“多波段引力波宇宙研究”项目。 国际引力波探测联盟LIGO在2015年9月14日探测到的GW150914这个引力波信号，不仅直接证实了广义相对论的一个重要预言-- 引力波的存在，还为引力波天文学注入了无限的活力。例如，人们第一次知道，比典型恒星级黑洞大4-6倍太阳质量的黑洞是存在的！那么，引力波的探测，究竟给天文学带来什么样的新机遇？在过去两年多的时间里，国内外的实测天文学家在关心什么？引力波天文学当前最重要的问题又是什么呢？答案非常简单，寻找LIGO引力波源的电磁对应体！ 引力波源的电磁对应体是指基于可以产生引力波的天体现象在电磁波段的辐射体现。例如, LIGO已经释放了”四支黑洞对”, 目前大家特别想知道这些黑洞在产生引力波的同时有没有对应的电磁辐射体或电磁辐射的体现? 引力波电磁对应体的搜寻研究可以催生出很多新的科学案例，大家可以通过以下两个方面进行宏观了解：第一，引力波辐射和电磁辐射的成协性研究。比如要确定某类天体（如LIGO释放的黑洞）的某一个物理参数，LIGO已经给出来了，但是通过电磁观测研究得到的结果大相径庭，岂不很有意思？第二：研究引力波及其触发现象随时间的演化，这也许是我们真正全方位了解引力波的开始。 据了解，当前全世界至少有90个团队（以签MOU为准）参与了LIGO引力波源电磁对应体的搜寻研究工作，参与的设备包括地基的望远镜和空间的探测器，探测波段覆盖低频到高能。现代实测天文学为引力波电磁对应体搜寻的集中发力，真的让人叹为观止。仔细想来，这个“大部队”大致分为两个梯队，第一梯队运用巡天类望远镜，具有“响应速度快”、“视野大”和“看得深”等特点；第二梯队则通过一系列后随望远镜有针对性地观测目标，比如只做光谱等。当然两者之间有交集和联系，并不是严格区分的。 如果能证实电磁对应体的存在，那么多波段引力波天文学将掀开新的篇章。但为什么引力波源的电磁对应体现在还没找到呢？虽然有人认为其中的不确定性太多，很难找到电磁对应体，但我们相信，通过下面“五个要素”（如下面的示意图），可以让我们无限接近答案。也许答案就在眼前，差的只是临门一脚呢（注：本文只针对LIGO发布的引力波信号，如果谈到空间引力波探测会有所不同）！ 要素一：引力波源的概率密度天区 当前大家习惯用“听”来理解引力波，而用“看”来描绘引力波源电磁对应体的信息。有人打过一个比方来形容LIGO引力波源的定位精度不准：很多人在一起聊天，突然“听到”飞机飞过的声音。大家抬头“看看”这架飞机在哪，却没有看见，为什么呢？也许“看”的方位不对，那里压根没有飞机；也许“看”的方位是对的，但由于“抬头看天”反应慢了几秒钟，飞机也没了。因此，LIGO给出了类似于下图的“skymap”, 这个有点像地球的椭圆形状，也就是“天球”，星星都可以投影其上。图中“红的发黑”的位置表示在天球的北半球找到引力波源电磁对应体的可能性最大，而其他位置同样有一定的概率发现引力波源的电磁对应体。如果要得到这个“sky map”, 也就是要确定引力波是从哪里来的，需结合引力波探测器的特征和某类引力波源的物理特性，通过数学的方法，计算得到的引力波事件可能发生在天球位置的概率密度分布图。“sky map”的大小可以从近百平方度到上千平方度，细心的读者可以发现第四个引力波事件GW170814的“sky map”比第一个GW150914的小很多，主要是VIRGO的加入，使得探测器由原来的两套变成了三套。 LIGO示意的可能发生引力波辐射的位置概率密度分布图 引力波源概率密度天区的重要性在于每个天文观测设备特点各异，有的视场非常大（几百平方度），可以把可观测的引力波源概率密度天区一网打尽；而有些望远镜可能只有几角分--几度的视场，如果观测全部天区就会很费时间。因此，很多实测学者就需要有选择的进行观测--即只观测最大概率密度天区。 要素二：星表信息 星表通俗的来讲是人们对已知的天文现象按照规范进行分类而得到的某种天体的信息汇总。这里所谈星表信息是由LIGO探测的引力波源类别决定的。当前LIGO的探测对象都是恒星级致密天体并合（比如双黑洞并合）所产生的引力波，属于爆发性质的引力波源，从实测的角度来说是全新的天文现象。所以，LIGO引力波源的电磁对应体不应该从星表中找到。 当前所有的天文实测团队都是通过基于LIGO规范下的GCN（The Gamma-ray Coordinates Network）平台来公布针对第一要素所完成观测的结果，其中剔除星表信息就是一个关键步骤。各种星表都有使用的价值，多数学者是使用暗星星表来完成此工作。这步工作通俗的来讲类似于“找邻居”的过程，通过LIGO释放的“sky map”并找到与之可以对应的若干星表，引力电磁对应体就淹没在这些“邻居”之中，可以通过剔除这些“邻居”来完成引力波电磁对应体搜寻研究的第一步。其中发光比较厉害的“亮邻居”，我们大都知晓，而对“暗邻居”知道的相对少一点。就北天区而言，Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) 星表是相对比较完备的光度测量星表，里面有很多很多“暗邻居”，读者可以通过搜索Pan-STARRS的官方网站了解星表详情。 要素三：多波段的交叉认证 LIGO引力波的发现点燃了很多人重新学习和思考存在了近百年的引力波物理和数学的热情。这里的“多波段交叉认证”指的是LIGO引力波源的电磁对应体只要理论计算是存在的，那么从低能的射电波段到高能的伽玛射线都会有所体现。因此，在LIGO探测到引力波信号后，在时间尺度成协的情况下至少要有两个波段的观测数据佐证，就像高能探测到 Gamma Ray Burst (GRB)，光学波段也可以看到它们的余晖一样；或者就像光学和近红外可以探测到新星的爆发现象，那么后续的射电波段也有很强的辐射一样。为了确凿找到引力波的电磁对应体，要素三以及下面的要素四都是从“求非”的角度被大家提出来的。 要素四：多观测基站的交叉认证 这个话题类似于有人质疑的“GW150914这个信号有没有被其他引力波探测器观测”的问题。其实稍微做点功课，就不难发现GW150914是美国东西海岸的两套设备“准同时”探测到的，因此探测到引力波的事实确实存在。LIGO第四次释放的GW170814引力波信号的“最大创新”之处在于VIRGO探测器里也能同时看到引力波信号，第三套设备也探测到了引力波了，这让人们更加信服引力波的存在。引力波源电磁对应体的确认也会碰到类似的问题，即科学观测的可重复性。我们期待的情景是：LIGO探测到引力波信号后，在时间误差可以理解的范围内，全世界多地基/空基观测设备可以同时观测到某一个电磁辐射现象。 要素五：时域观测信息 时域天文学是最近才被大家逐渐认识并重视的科学，是基于跨时区各种类型的观测设备的布局和观测技术进步而产生的，具有不间断监测和高时间分辨率的特点。在确定LIGO引力波电磁对应体时这个因素容易被大家忽略，主要是由于其耗时较长，会对“短、频、快”的科学产出有一定影响。在LIGO电磁对应体的观测研究之中，积累时域观测的资料至少有三个方面的作用：1）更深刻揭示引力波电磁对应体的演化特征，而不是找到电磁对应体就完事了；2）多频段的时域观测信息更加珍贵，能够让我们多了解一些引力波本身随时间演化的真实性；3）具有“纠错”功能，假如某电磁对应体前面的四要素都满足：在最大密度天区发现同时星表中也没有对应体，多波段和多观测站的数据也都是完整的，但如果时域观测看到了若干“周期性”或“周期性简并”的现象，那这个LIGO引力波电磁对应体就需要我们仔细思考了。 总之，大家对“多波段引力波实测天文学”的到来充满憧憬，都坚信引力波的电磁对应体是存在的，最终能否“敲定”这件事情由很多因素决定，上面谈的“五要素”应该被大家所重视。如果有人不服的话，可以参考Kip Thorne和JeremiahOstriker三十多年前的那场豪赌：引力波迟早会被探测到的！不过很不幸，虽然人类在2015年探测到引力波，但还是晚了15年，Thorne因此输掉了一箱加州好酒。相信寻找引力波源电磁对应体，不会让我们等待那么久。 |
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