超越黑洞：引力波再创辉煌！

谁是及时雨 2017-10-24

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引力波的直接探测已经拿下了2017年度的诺贝尔物理学奖，读者可阅读《跨越时空的相遇》进一步了解引力波。今天所宣布的重大发现依旧和引力波相关，但多了几个关键词：“1.3亿光年外”、“中子星并合”、“电磁对应体”。这一次的发布会，可以说是天文界的一次前所未有的狂欢宴，实现了多个第一次：

第一次发现双中子星并合辐射出的引力波；
第一次定位引力波的来源；
第一次将引力波天文学和传统天文学结合。

○ 三个引力波天文台+遍布全世界及太空的70个传统望远镜都指向了同一个目标。 | 图片来源： LIGO

此次，除了LIGO/VIRGO（激光干涉/室女座引力波天文台）外，地面和空间共70台望远镜都观测到了对应的电磁波信号。此次的发现总结如下：

中子星-中子星并合辐射出的引力波（GW170817）；
双中子星并合产生的短伽玛射线爆（GRB170817A）；
发现了重元素形成的秘密，并确认了一个千新星事件（SSS17a）。

2012年，科学家在粒子加速器中首次发现了希格斯玻色子，为粒子物理学的标准模型填补了最后一块拼图。而在不久后的2015年，物理学就再次迎来了一次巅峰，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到了100年前就被爱因斯坦预言存在的引力波。当物理学笼罩在“零结果”的阴影之下时（比如对暗物质的搜寻一无所获等），引力波的进展却一次又一次给予我们许多的惊喜。

在这次的盛大发布之前，LIGO已经四次探测到来自数亿光年外的双黑洞并合辐射出的引力波事件。然而，可能谁也未曾想到，这第五次期盼已久的引力波事件来的如此之快，伴随着它一起出现的天文现象，对天文学家而言更是意外却意料之中的惊喜。

○ 图片显示了两颗相互旋绕的中子星。 | 图片来源： LIGO

我先用一段话总结此次的发现，再进一步的探讨此次发现的意义：

“大约在1.3亿光年外的NGC4993星系中，两颗不期而遇的中子星绕着共同的中心旋转，并在互相旋绕的过程中不断地辐射出引力波。由于引力波会带走能量，使双星的轨道慢慢缩小，公转周期也逐渐缩短。经历了约数亿年的时间，它们最终相拥在一起，并释放出更加猛烈的引力波。但故事并没有结束。双中子星并合后随即产生的便是困扰天文学家已久的短伽玛射线暴，而在接下来的几天到几个星期内，其它伴随的现象陆续释放了各种电磁波辐射，包括X-射线，紫外线、可见光、红外线和射电波。经历了漫长岁月的光速传播，此次事件释放的引力波和电磁波信号陆续抵达地球，被地球上的三台引力波天文台以及地面和太空共70台望远镜探测到。”

○ NGC4993星系，距离地球1.3亿光年远，过去曾多次被拍摄过。在引力波被探测到之后，我们发现了双中子星并合的电磁对应体。 | 图片来源： LIGO

没错，与前四次的引力波事件不同的是：这次的引力波来自双中子星的并合！（中子星是恒星演化的最后产物之一，非常致密，一茶勺的中子星物质就有数亿吨重。）相比双黑洞并合，双中子星并合带来了更加丰富的内容。它们之间的区别主要体现在三方面：

中子星的质量更低（此次事件的中子星质量为1.1-1.6倍的太阳质量），但更大（直径约为20公里），因此它们辐射出的引力波信号的振幅也更低，但持续时间更久。前几次双黑洞并合发出的“啾鸣声”持续的时间都不到一秒，而这次双中子星并合却持续了约100秒；
同时，以目前 LIGO/VIRGO 的灵敏度，这也意味着双中子星并合发生的距离要比双黑洞并合近的多。而这次，所有的来源都指向了距离地球1.3亿光年外的NGC4993星系中！
最后，不同于黑洞并合，我们也发现了双中子星并合的“电磁对应体”，即短伽玛射线暴！

○ 两颗中子星相互旋绕，最终并合在一起，产生了非常特定的引力波信号。在并合的过程中也产生可被观测的电磁波。 | 图片来源： NASA

这次的发现，回答了长久以来一直困扰着天文学家的一些问题：

1. 元素周期表中的重元素从何而来？

也许你会认为中子星对撞似乎跟我们没有半毛钱关系，但其实是息息相关。在我们看到元素周期表时，也许你会好奇，那些重元素究竟是如何制造出来的？许多人会认为答案是来自超新星，因为这是你们从天文学家口中常听到的故事。但超新星只是故事的一部分，元素周期表中大部分最重的元素，比如金、银、铂、钨、铅、铀等，事实上都来自中子星对撞事件。也就意味着，你身上可能戴着的金戒指就是来自数亿年前发生的此类事件中诞生的。这是中子星并合事件带给我们的最直接意义。

○ 恒星残骸的质量可以用不同的方法测量。这张图显示了通过电磁波探测到的黑洞质量（紫色）；通过引力波探测的黑洞质量（蓝色）；通过电磁波探测到的中子星质量（黄色）；通过中子星合并测量中子星的质量（橙色）。 | 图片来源： LIGO/VIRGO

2. 并合的中子星真的会制造“短伽玛射线暴”和“千新星“吗？

在双中子星并合之后，大部分质量会直接融入到最终形成的致密天体（此次并合事件的最终产物并没有被分类为过去认为的黑洞或中子星，而是标为未分类），但有一小部分的物质被抛射出去。其中抛出去的一部分物质会在黑洞周围形成一个“黑洞-吸积盘”系统，这个系统会在黑洞旋转的方向向外喷射物质，产生高度相对论性的喷流。喷流内部会形成能量极高但持续时间不到两秒的短伽玛射线暴。但是，伽玛射线暴具有高度的方向性，只有当它指向地球时才能被看到，这是小概率事件。

2017年8月17日，在观测到引力波之后的1.7秒，NASA的费米空间望远镜在NGC4993星系内探测到了一个持续时间为2秒的短伽玛射线暴。这是人类首次探测到引力波的电磁对应体。过去我们一直不确定究竟是什么导致了短伽玛射线暴的产生，但现在我们可以确定它们就诞生于双中子星并合后的一瞬间，解决了天体物理学中长久以来悬而未决的难题。