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此次事件中，引力波、伽馬射線和可見光在天球的位置。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來(lái)自并合后10.9小時(shí)的Swope光學(xué)發(fā)現(xiàn)圖片(右上方)與在并合20.5天前的圖片(右下方)。LIGO科學(xué)合作組織

繼三位科學(xué)家捧走2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，引力波科學(xué)家又“搞”了個(gè)大新聞。北京時(shí)間10月16日晚10點(diǎn)，激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和處女座(Virgo)引力波探測(cè)器合作組織聯(lián)合召開發(fā)布會(huì)，宣布接收到來(lái)自1.3億光年外星系NGC4993的引力波信號(hào)。更令人激動(dòng)的是，引力波信號(hào)很有可能來(lái)自兩顆并合的中子星，隨后科學(xué)家觀測(cè)到了并合產(chǎn)生的伽馬射線暴、光學(xué)輻射以及巨新星現(xiàn)象，對(duì)這次雙中子星合并實(shí)現(xiàn)了“引力波+電磁波”的聯(lián)合觀測(cè)。

作為一名圍觀群眾，人們往往會(huì)感嘆如此微弱的漣漪在浩瀚的宇宙中傳播了數(shù)億年竟然能被人類所捕獲，科學(xué)家們用一生的努力做賭注，去挑戰(zhàn)連愛因斯坦本人都不敢想象的探測(cè)極限，并最終挑戰(zhàn)成功捧走了“大獎(jiǎng)”。但如果問工作在一線的引力波專家們，甚至包括獲得今年諾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，2017年最值得興奮的事是什么?是“諾獎(jiǎng)”嗎?我想答案多半是否定的。2017年最震動(dòng)引力波研究領(lǐng)域的事情應(yīng)該是，2017年8月17日人類第一次探測(cè)到雙中子星并合所產(chǎn)生的引力波，并同時(shí)探測(cè)到了和該引力波成協(xié)的電磁波對(duì)應(yīng)體!

真正開啟引力波天文學(xué)大門

引力波信號(hào)的直接探測(cè)為人類開啟了一個(gè)認(rèn)識(shí)宇宙的全新窗口，它必然在二十一世紀(jì)掀起一場(chǎng)認(rèn)識(shí)宇宙以及基礎(chǔ)物理的革命。然而，引力波信號(hào)自身存在一定缺陷，比如信號(hào)十分微弱，信號(hào)源的定位誤差非常大，單純地利用引力波探測(cè)無(wú)法確認(rèn)信號(hào)究竟是來(lái)自地球附近,還是來(lái)自銀河系內(nèi),又或者來(lái)自銀河系外。再加上目前探測(cè)到的引力波信號(hào)都是暫現(xiàn)源，通俗地說(shuō)就是一次性的，無(wú)法重復(fù)觀測(cè)，因此如果沒有其他信息的聯(lián)合探測(cè)，那么引力波的探測(cè)就僅僅是引力波探測(cè)合作組的一家之言。極端來(lái)講，這種情況下如果所有的引力波學(xué)家聯(lián)合起來(lái)，統(tǒng)一口徑，那么誰(shuí)又知道站在我們面前的是“鹿”還是“馬”呢?

天文學(xué)家自然不會(huì)同意這種情況的出現(xiàn)。他們指出，目前能夠探測(cè)到的引力波事件都對(duì)應(yīng)著黑洞、中子星等致密星體的并合。這種災(zāi)變性的事件應(yīng)該通過多種渠道向外釋放能量，引力波是一種，電磁波也應(yīng)該是一種。

天文學(xué)發(fā)展至今，電磁波段是發(fā)展最完善、理論研究最透徹的觀測(cè)窗口，也是現(xiàn)有探測(cè)手段與探測(cè)儀器最豐富的窗口。只有實(shí)現(xiàn)了引力波與電磁波的聯(lián)合探測(cè)，我們才可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對(duì)其天體物理性質(zhì)，如引力波源的距離，引力波源所在的星系類型等開展進(jìn)一步的研究，并揭示物理過程的更多本質(zhì)。最后，通過對(duì)比引力波與電磁波信號(hào)到達(dá)時(shí)間差等，可以檢驗(yàn)愛因斯坦等效原理、廣義相對(duì)論等重要物理學(xué)原理，等等。從引力波天文學(xué)的角度上講，引力波事件電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)研究意義可相比于引力波信號(hào)的直接探測(cè)。換句話說(shuō)，只有實(shí)現(xiàn)“引力波+電磁波”的聯(lián)合探測(cè)，才是真正意義上開啟了引力波天文學(xué)的大門。

期待中的電磁對(duì)應(yīng)體

引力波究竟是否存在電磁對(duì)應(yīng)體?電磁對(duì)應(yīng)體又可能是哪些呢?這個(gè)問題其實(shí)早在LIGO剛剛開始建設(shè)的時(shí)候，就成為天文學(xué)研究中的一個(gè)熱門話題。

地面引力波探測(cè)器主要探測(cè)目標(biāo)是恒星級(jí)致密星體的并合，即雙黑洞并合、雙中子星并合以及中子星和黑洞并合。理論上通常認(rèn)為，雙黑洞周圍很難有物質(zhì)存在，因此雙黑洞并合不會(huì)產(chǎn)生可探測(cè)的電磁對(duì)應(yīng)體。但是就在LIGO探測(cè)到第一例雙黑洞并合引力波事件后不久，美國(guó)的費(fèi)米(Fermi)衛(wèi)星宣稱探測(cè)到了一個(gè)疑似的電磁對(duì)應(yīng)體。由于其他望遠(yuǎn)鏡都沒有探測(cè)到這個(gè)源，而且Fermi公布的信號(hào)太弱了，所以很多研究小組都在質(zhì)疑這個(gè)對(duì)應(yīng)體的真實(shí)性。不過有趣的是，這個(gè)事件引發(fā)了理論家的思考，人們提出了多種可能的雙黑洞并合產(chǎn)生明亮電磁輻射的模型。這些模型都等待著未來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。不過迄今為止觀測(cè)到的4例雙黑洞并合引力波事件，都沒有被探測(cè)到電磁對(duì)應(yīng)體。

對(duì)于雙中子星并合以及中子星與黑洞并合，由于中子星本身攜帶大量的物質(zhì)，因此人們認(rèn)為這兩種并合現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生多種明亮的電磁輻射信號(hào)。具體說(shuō)來(lái)，在并合的過程中，中子星會(huì)被撕裂，一小部分物質(zhì)由于離心力被甩了出去，而大部分物質(zhì)會(huì)向中心沉降并形成一個(gè)新的中心天體，比如黑洞或中子星。

中心天體形成后，當(dāng)繼續(xù)有物質(zhì)掉落到中心天體的引力范圍內(nèi)，引力能的釋放會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生噴流。它沿著新中心天體轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向噴射而出，速度接近光速。由于能量耗散，噴流會(huì)產(chǎn)生從伽馬射線到X射線、紫外、光學(xué)、紅外乃至射電的多波段電磁波輻射，這被稱作伽馬暴及其余輝輻射。由于相對(duì)論效應(yīng)，當(dāng)我們的視線方向恰好在噴流的夾角內(nèi)時(shí)，這些信號(hào)才會(huì)被探測(cè)到。

另一方面，由于那一小部分被甩出去的物質(zhì)以自由中子為主，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生激烈的核反應(yīng)過程。這一小部分物質(zhì)會(huì)被迅速加熱并產(chǎn)生熱輻射，其輻射波段集中在紅外和光學(xué)波段，大約在天或周的時(shí)間尺度上達(dá)到輻射峰值。這種輻射被稱為巨新星輻射，幾乎從各個(gè)方向都能被探測(cè)到，因此成為最被期待的引力波電磁對(duì)應(yīng)體。

望遠(yuǎn)鏡“組團(tuán)”展開搜索

應(yīng)該如何去探測(cè)引力波電磁對(duì)應(yīng)體呢?有人可能會(huì)說(shuō)，這些信號(hào)不是都被理論學(xué)家計(jì)算好了嘛，那就按圖索驥唄?錯(cuò)!我們要當(dāng)作完全不知道電磁對(duì)應(yīng)體長(zhǎng)成什么樣子來(lái)搜尋。因?yàn)樵跊]有被探測(cè)到之前，誰(shuí)知道這些被預(yù)言的信號(hào)是真實(shí)存在的，還是僅僅活在理論學(xué)家的腦子里呢?

引力波電磁對(duì)應(yīng)體的搜索有兩種途徑，一種是電磁波望遠(yuǎn)鏡單獨(dú)對(duì)盡可能大的天空進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并記錄下所有的暫現(xiàn)源的開始時(shí)間和位置，通過與引力波事件的時(shí)間和位置的對(duì)比，找出引力波電磁對(duì)應(yīng)體。另一種是當(dāng)引力波探測(cè)器探測(cè)到引力波信號(hào)后，快速通知給電磁波望遠(yuǎn)鏡，并提供一個(gè)大致的位置范圍，望遠(yuǎn)鏡通過對(duì)這個(gè)位置范圍進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。由于并不知道真實(shí)的電磁對(duì)應(yīng)體會(huì)出現(xiàn)在什么時(shí)候、什么波段，因此兩種方法都要求參與的望遠(yuǎn)鏡足夠多，波段足夠?qū)挘@樣才有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)引力波定位誤差范圍的覆蓋。目前已經(jīng)有90多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的超過100多個(gè)望遠(yuǎn)鏡和引力波合作組簽署了合作協(xié)議，隨時(shí)待命開展電磁對(duì)應(yīng)體的搜索。

第一種方法，要求望遠(yuǎn)鏡一次性能夠監(jiān)測(cè)的天空范圍越大越好，最好是全天監(jiān)測(cè)，這樣只要有對(duì)應(yīng)體出現(xiàn)，就一定能被逮到。目前大監(jiān)測(cè)視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡多是探測(cè)伽馬射線或硬X射線的高能望遠(yuǎn)鏡，這次GW170817的第一個(gè)電磁信號(hào)就是在引力波觸發(fā)2秒之后，由美國(guó)Fermi衛(wèi)星通過這種方法探測(cè)到的短伽馬射線暴信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了引力波信號(hào)的天體物理起源，同時(shí)也揭示了困擾天體物理研究領(lǐng)域幾十年的短伽馬射線暴起源之謎。

對(duì)第二種方法，100多個(gè)望遠(yuǎn)鏡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橐Σㄌ綔y(cè)器給出的誤差范圍相對(duì)于電磁波望遠(yuǎn)鏡，尤其是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)太大了。聰明的科學(xué)家們提出可以通過建立完備的星系列表，只針對(duì)引力波定位范圍內(nèi)的星系，分工進(jìn)行觀測(cè)。不過隨著距離的增加，星系個(gè)數(shù)會(huì)急劇上升，因此這種方法只針對(duì)很近的引力波源才有作用。幸運(yùn)的是，LIGO探測(cè)到的第一個(gè)雙中子星并合信號(hào)GW170817離我們很近，人們利用第一種方法真的在紅外與光學(xué)波段找到了理論家預(yù)言的巨新星信號(hào)。

由此，理論家預(yù)言的電磁波信號(hào)幾乎全部被找到。有理由期待，在這樣一個(gè)全新的引力波天文學(xué)時(shí)代，人類對(duì)未知的探索將邁上一個(gè)更高的階梯!