北京時(shí)間10月16日，LIGO的科學(xué)家大衛(wèi)·萊茲（David Reitze）宣布，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）于2017年8月17日首次發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的新型引力波事件！由兩個(gè)質(zhì)量分別為1.15和1.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的雙中子星并合所產(chǎn)生，根據(jù)探測(cè)日期確定編號(hào)為GW170817，距離我們1.3億光年。此外，在全世界眾多天文學(xué)家及探測(cè)設(shè)備的協(xié)同努力之下，還發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。包括我國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家聯(lián)合宣布，人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波，同時(shí)探測(cè)到由這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。我國(guó)包括南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2、國(guó)內(nèi)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的多臺(tái)設(shè)備參與觀測(cè)引力波事件。
科學(xué)界也斷定，中子星合并就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源。
觀測(cè)引力波的技術(shù)和聯(lián)動(dòng)機(jī)制成熟，是否意味著我們會(huì)探測(cè)到更多引力波？
去年科學(xué)家探測(cè)到了來(lái)自太空的引力波，引力波本質(zhì)上是空間的波動(dòng)。我們知道向水面扔一塊石子進(jìn)去，水面就會(huì)有波動(dòng)。空間在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論里是可以彎曲的，比如說(shuō)在空間里存在一個(gè)黑洞，那么黑洞周?chē)目臻g就是扭曲的。那么如果有兩個(gè)黑洞在這個(gè)空間里，它們彼此快速旋轉(zhuǎn)，其周?chē)目臻g一定是不斷地快速變化，隨著時(shí)間產(chǎn)生不同的彎曲形式，這樣不斷變化空間的形變就會(huì)向遠(yuǎn)處傳播開(kāi)去。就好比我們?nèi)绻皇窃谒镬o靜的放一塊石頭，水面是不會(huì)有變化的，如果把石塊扔進(jìn)去，就會(huì)產(chǎn)生可以向遠(yuǎn)處傳播的漣漪。
那么，當(dāng)引力波傳播到地球上時(shí)，就會(huì)微微地彎曲地球上的空間，這種彎曲的形式是先向一個(gè)方向擠壓，然后往另一個(gè)方向拉伸，這樣的話就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：比如兩個(gè)互相垂直的尺子，其中一個(gè)會(huì)變得扁一些，另外一個(gè)會(huì)變的長(zhǎng)一些。實(shí)際上引力波探測(cè)器就是利用這樣的原理去探測(cè)引力波。美國(guó)的LIGO探測(cè)器實(shí)際上是有兩束相互垂直的激光束，可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離。原本兩點(diǎn)之間的距離應(yīng)該是一樣的，那么當(dāng)引力波傳過(guò)來(lái)時(shí)，一個(gè)方向的距離和另一個(gè)方向的距離就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)這種變化就知道地球的空間被微微地彎曲了，從而得知有一個(gè)引力波從地球上經(jīng)過(guò)了。”
正如發(fā)布會(huì)提到的，這次探測(cè)到的引力波是由雙中子星合并而產(chǎn)生，之前公布的4例引力波事件都是由雙黑洞所產(chǎn)生。二者之間最大的差別就在于，雙中子星合并會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，而對(duì)于黑洞而言，我們通常認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生，這一點(diǎn)也得到了觀測(cè)上的驗(yàn)證。
是什么原因?qū)е铝舜朔N差別呢？通常而言，按照天體物理輻射的理論要求，要產(chǎn)生電磁輻射，天體周?chē)仨氁袣怏w的存在。對(duì)于黑洞系統(tǒng)而言，盡管在最初產(chǎn)生時(shí)，黑洞周?chē)赡苡泻芏鄽怏w，然而在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程當(dāng)中，如果沒(méi)有更多氣體來(lái)源的話，在黑洞合并的最后階段，氣體已消耗完畢，所以無(wú)法產(chǎn)生電磁輻射，只能產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)空的引力波——就像科學(xué)家前4次探測(cè)到的那樣。
在雙中子星合并之前，周?chē)臍怏w很可能也已消耗完畢。然而，合并過(guò)程當(dāng)中會(huì)有部分物質(zhì)以接近光速或遠(yuǎn)低于光速的速度被拋射出去，從而產(chǎn)生我們看到的各種電磁現(xiàn)象——短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴（簡(jiǎn)稱伽瑪暴）、伽瑪暴余輝和千新星。接近光速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)產(chǎn)生了費(fèi)米衛(wèi)星看到的伽瑪暴，而低速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)產(chǎn)生了千新星，被很多的光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡捕捉到。
短時(shí)標(biāo)伽馬射線暴、伽瑪暴余輝和千新星都是什么？讓我們一一說(shuō)來(lái)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，伽瑪暴是天空中某一個(gè)方向伽馬射線輻射突然增亮的現(xiàn)象，可以說(shuō)是宇宙間自大爆炸之后最為劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代初，康普頓伽馬射線天文臺(tái)在觀測(cè)到上千個(gè)伽瑪暴之后做了一個(gè)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，按照它們持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短分為兩大類：一類是爆發(fā)時(shí)間長(zhǎng)于2秒的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)伽瑪暴，另一類是爆發(fā)時(shí)標(biāo)短于2秒的短時(shí)標(biāo)伽瑪暴。后經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，這兩種伽瑪暴的產(chǎn)生起源完全不同。
根據(jù)目前的理解，無(wú)論是大質(zhì)量恒星坍縮形成的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)伽瑪暴，還是雙致密星產(chǎn)生的短時(shí)標(biāo)伽瑪暴，盡管中心天體會(huì)有差別（或者是黑洞，或者是轉(zhuǎn)動(dòng)極快的磁星），伽瑪暴的產(chǎn)生機(jī)制以及之后的演化都可以用一個(gè)被稱為“火球”模型（fireball model）的理論來(lái)解釋。在這個(gè)理論中，中心天體會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生相對(duì)持續(xù)的極端相對(duì)論噴流，這就意味著，這些噴出物質(zhì)會(huì)以接近光速速度，沿著天體的轉(zhuǎn)軸方向向外運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閲娚涑鋈サ奈镔|(zhì)之間存在著速度上的微小差別，導(dǎo)致它們彼此發(fā)生碰撞，將自身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體粒子的熱能，而后在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生我們所看到的高能輻射，也就是早期的伽馬射線，這就很好地解釋了我們所看到的伽瑪暴。大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的噴流時(shí)間長(zhǎng)，雙中子星合并產(chǎn)生的噴流時(shí)間短，從而導(dǎo)致了我們觀測(cè)上的差別。
這些星體周?chē)嬖谥请H氣體介質(zhì)，噴流物質(zhì)在停止相互碰撞之后會(huì)繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)，與周?chē)臍怏w介質(zhì)發(fā)生相互作用，把自身運(yùn)動(dòng)的能量傳遞給周?chē)男请H氣體，星際氣體被加熱從而產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，這就是所謂的伽瑪暴余輝。它的能譜（energy spectrum）波段會(huì)從X射線一直延伸到射電波段。在一定程度上，余輝的強(qiáng)弱與周?chē)请H氣體的密度相關(guān)，密度更高，余輝也就更亮。
此次與引力波相關(guān)的伽瑪暴屬于短時(shí)標(biāo)伽瑪暴，因?yàn)橘M(fèi)米衛(wèi)星觀測(cè)到的爆發(fā)時(shí)標(biāo)為0.7秒。除此之外，無(wú)論是引力波的結(jié)果還是電磁波的觀測(cè)擬合結(jié)果，也都和雙中子星合并的預(yù)期相一致。例如，引力波波形的擬合告訴了我們中子星的質(zhì)量，與中子星的質(zhì)量范圍一致。
在雙中子星合并的過(guò)程當(dāng)中，有大約1/1000到1/100左右太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)沿各個(gè)方向被拋射出去，形狀近似于一個(gè)球體。這些拋射出去的物質(zhì)通過(guò)快中子俘獲過(guò)程產(chǎn)生大量的重元素。這些元素很不穩(wěn)定，能夠快速衰變，產(chǎn)生輻射加熱拋射物，從而使其發(fā)出明亮的可見(jiàn)光以及近紅外輻射，其亮度通常會(huì)達(dá)到千倍的新星級(jí)別，故被稱為“千新星”。因?yàn)檫@個(gè)千新星距離地球很近，所以非常明亮，是之前探測(cè)到的短時(shí)標(biāo)伽瑪暴距離的十分之一。
雙中子星合并之后是產(chǎn)生了中子星，還是產(chǎn)生了黑洞？現(xiàn)在依然無(wú)法確定。因?yàn)橥ㄟ^(guò)引力波波形的擬合，合并后的質(zhì)量約為2.74太陽(yáng)質(zhì)量。從理論上說(shuō)，如果一個(gè)天體的質(zhì)量超過(guò)3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，通常會(huì)被認(rèn)為是黑洞。而中子星的最大允許值并不明確，如果中子星的內(nèi)部由中子構(gòu)成，綜合考慮狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)速，要想達(dá)到2.74個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量不太可能。然而如果內(nèi)部由其他的奇異物質(zhì)（比如夸克）構(gòu)成的話，在一定條件下，這個(gè)質(zhì)量的天體就有一定可能性，此時(shí)這一天體應(yīng)該被稱為“夸克星”。不過(guò)，目前所有觀測(cè)都沒(méi)能給出中子星和黑洞的臨界質(zhì)量，當(dāng)然也沒(méi)能給出夸克星存在的證據(jù)。從觀測(cè)的角度而言，我們觀測(cè)到的最重的中子星大約是2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，最小質(zhì)量的黑洞質(zhì)量是5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量；在這兩者之間，一片空白，還未發(fā)現(xiàn)任何致密天體的質(zhì)量屬于這個(gè)范圍。所以，對(duì)于此次雙中子星合并產(chǎn)生的2.74個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的天體，盡管我們還不能確定它到底是什么，但是這一天文發(fā)現(xiàn)是具有里程碑意義的。
責(zé)編：微科普