國際天文界再次被引力波刷屏。多國科學(xué)家16日宣布，人類首次直接探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號。中子星引力波怎么探測?引力波解答了哪些疑問?還有哪些未解之謎?“中國網(wǎng)事”記者就此采訪了有關(guān)科學(xué)家。

引力波怎么探測

北京時間16日晚22時，包括我國在內(nèi)的多國科學(xué)家宣布，人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”由這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。

據(jù)科學(xué)家介紹，2017年8月17日，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)發(fā)現(xiàn)一個新的引力波信號GW170817。這個信號是一個由雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。全球約70個地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、X光、紫外和射電波等多個波段開展后續(xù)觀測。這其中，也包括中國架設(shè)在昆侖站的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2。

僅僅在LIGO觀測到引力波信號后的1.7秒，美國費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡探測到名為GRB170817A的伽馬射線暴。“費(fèi)米幾乎在同一時間觀測到伽馬射線暴，讓我們更加興奮，也更有緊迫感。”加州理工學(xué)院LIGO數(shù)據(jù)分析小組負(fù)責(zé)人艾倫·溫斯坦教授回憶說。

LIGO和費(fèi)米在遇到強(qiáng)信號時，會自動向天文界發(fā)送警報。這是一場與時間的賽跑，世界范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測隨即啟動。大約11個小時后，位于智利的斯沃普望遠(yuǎn)鏡率先觀測到此次信號的光學(xué)對應(yīng)物——位于一個叫NGC4993星系的雙中子星系統(tǒng)。

基于AST3-2獨(dú)立收集到的數(shù)據(jù)，科研人員還計算出，此次兩顆致密中子星合并的過程共拋射出超過3000倍地球質(zhì)量的物質(zhì)，這些物質(zhì)攜帶有巨大能量，拋射速度達(dá)到0.3倍光速。

引力波也被稱為“時空的漣漪”。1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言，劇烈的天體活動會帶動周圍的時空一起波動，這就是引力波的由來。此后百年間，科學(xué)界一直在尋找引力波的存在。此前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)4例由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。

何以震驚天文學(xué)界

為什么中子星引力波引起天文界震動?專家們說，主要原因有三個。

首先，這是人類第一次探測到雙中子星合并。LIGO項目組成員、美利堅大學(xué)天體物理學(xué)家格雷戈里·哈里告訴記者，此前觀測到的引力波均來自黑洞。黑洞完全由扭曲時空構(gòu)成，本質(zhì)上沒有物質(zhì)，而中子星卻是一個切實星體，因此能深入了解核物質(zhì)的行為。

哈里說，中子星引力波可以用來直接測量到源的距離，而相應(yīng)的電磁信號給出了速度，由此可用來校準(zhǔn)宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數(shù)，從而進(jìn)一步回答宇宙從哪里來、又往哪里去等重大問題。

其次，這是人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波和電磁波，使得確認(rèn)宿主星系成為可能。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團(tuán)隊之間開展合作的重要性，也標(biāo)志著“多信使天文學(xué)”跨入新時代。

“我想說的是，這是第一次我們既能‘看到’也能‘聽到’一個天文事件，這些不同的‘感官’體驗將能給我們很多信息。”哈里說，“引力波天文學(xué)才剛剛開始，隨著21世紀(jì)向前發(fā)展，我們可以期待引力波觀測將為宇宙學(xué)、天文學(xué)、天體物理學(xué)、核物理學(xué)和引力學(xué)以及其他領(lǐng)域帶來更多見解。”

第三，地面紅外望遠(yuǎn)鏡探測到了中子俘獲過程，從而第一次提供確鑿證據(jù)證實了中子星合并就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源地。

南非夸祖魯-納塔爾大學(xué)的引力波研究專家馬寅哲在發(fā)給記者的一份電子郵件中開玩笑說：“如果有人問帶著金戒指的女性朋友，她的金戒指從哪兒來?她應(yīng)該說，這是從銀河系中的合并中子星那里產(chǎn)生的。”

還有哪些未解之謎

本次LIGO項目組宣布發(fā)現(xiàn)的引力波，來自距地球約1.3億光年處的雙中子星合并。與黑洞合并只產(chǎn)生引力波不同的是，中子星合并除了產(chǎn)生引力波外，還發(fā)出了大量的電磁波。

這就是讓天文學(xué)家感到興奮的“多信使天文學(xué)”。引力波和電磁波作為不同的“信使”，可以告訴我們同一個天文事件在不同方面的信息。美國田納西大學(xué)天體物理學(xué)教授邁克爾·吉德里說，“多信使天文學(xué)”是天文學(xué)家長期追求的“圣杯”，將對相關(guān)領(lǐng)域的未來產(chǎn)生巨大影響。

哈里說，如果沒有引力波研究，中子星的許多性質(zhì)都將是長期懸而未解的謎，包括在強(qiáng)引力作用下怎么彎曲變形、合并時將會發(fā)生什么情況、質(zhì)量多大時會形成黑洞等等。

“GW170817不能回答所有這些問題，但它給我們提供了以前沒有的信息，并且表明引力波觀測是解答這些問題的一個切實可行的方法。”哈里說。

他指出，迄今探測到的5次引力波信號都與愛因斯坦的廣義相對論理論完全吻合，但廣義相對論卻與量子力學(xué)不相容，因此一些觀點(diǎn)認(rèn)為廣義相對論需要修正。諸如GW170817等事件是少數(shù)能在引力極限情況下驗證廣義相對論的辦法之一。“我們還有可能觀測到更強(qiáng)、更清晰的信號，那也許能向我們展示愛因斯坦引力理論所不能解釋的東西。”

具體到這次事件，雙中子星合并之后變成了什么，依然沒有答案?？茖W(xué)家列出了兩種可能性，一種是變成了非常大質(zhì)量的中子星，另一種是變成了黑洞。但不管是什么，它的質(zhì)量大約相當(dāng)于2.74個太陽。(記者：林小春、王玨玢、彭茜、蔣芳、黃堃)

標(biāo)簽： 引力波 人類