引力波的“黃金”信號：關於中子星引力波的探測

多國天文學家16日宣佈，首次直接探測到雙中子星合併產生的引力波和電磁信號，這爲認識宇宙提供了電磁天文學單獨所不能實現的新機會。天文學家推測的金元素起源也在此次探測中得到證實。

中子星引力波

那麼，中子星引力波怎麼探測？爲什麼重要？解答了哪些疑問？還存在哪些問題？新華社記者就此採訪了有關科學家。

險些錯過

引力波由黑洞等天體在碰撞過程中產生，可把它想象成石頭丟進水裏產生的波紋。100多年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在，但直到2015年才首次獲得證實。

8月17日，美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)捕捉到這次的中子星引力波信號。LIGO有兩個探測器，分別建在相距3000公里的路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市。

有意思的是，由於噪聲污染，LIGO軟件系統起初並沒有在利文斯頓探測器的數據中檢測到信號。幸運的是，探測器獲得的數據足夠清晰，促使軟件隨後快速確認這是一個引力波信號，並命名爲GW170817。

僅僅在LIGO觀測到引力波信號後的1.7秒，美國費米太空望遠鏡探測到名爲GRB170817A的伽馬射線暴。“費米太空望遠鏡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。”加州理工學院LIGO數據分析小組負責人艾倫⋅溫斯坦教授回憶說。

LIGO和費米太空望遠鏡在遇到強信號時，會自動向天文界發送警報。這是一場與時間的賽跑，世界範圍內的望遠鏡後續觀測隨即啓動。大約11個小時後，位於智利的斯沃普望遠鏡率先觀測到此次信號的光學對應物——位於名爲NGC4993星系的雙中子星系統。

三個第一

爲什麼中子星引力波引起天文界震動？原因有三個。

首先，第一次探測到雙中子星合併。LIGO項目組成員、美利堅大學天體物理學家格雷戈裏⋅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成，而中子星卻是一個切實星體，觀測兩個中子星合併與觀測兩個原子核合併“並沒有什麼不同”，因此能深入瞭解核物質的行爲。

哈里說，中子星引力波可以用來直接測量到引力波源頭的距離，而相應的電磁信號給出了速度，由此可用來校準宇宙膨脹速度，從而進一步回答宇宙從哪裏來、又往哪裏去等重大問題。

其次，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。通過X光、紫外、可見光、紅外及射電波的觀測，使得確認宿主星系成爲可能。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團隊之間開展合作的重要性，也標誌着多信使天文學跨入新時代。

中子星引力波

“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，“引力波天文學纔剛剛開始，隨着21世紀科技向前發展，我們可以期待引力波觀測將爲宇宙學、天文學、天體物理學、核物理學和引力學以及其他領域帶來更多見解。”

第三，地面紅外望遠鏡探測到了中子俘獲過程，從而首次提供確鑿證據證實中子星合併就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源，而之前天文學家只是推測。

南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲在發給記者的電子郵件中開玩笑說：“如果有人問戴金戒指的女性朋友，她的金戒指從哪兒來？她應該說，這是從銀河系中的合併中子星那裏產生的。”

未解之謎

中子星是目前已知最小、最緻密的恆星，由大質量恆星在生命最後階段經過超新星爆發形成，與太陽同質量的中子星直徑只有20千米，一小勺中子星物質的質量可達10億噸。由於中子星在宇宙中很常見，天文學家一直期待着發現雙中子星合併的引力波信號。

哈里說，如果沒有引力波研究，中子星的許多性質都將是長期懸而未解的謎，包括在強引力作用下怎麼彎曲變形、合併時會發生什麼情況、質量多大時會形成黑洞等。

“GW170817不能回答所有這些問題，但它提供了以前沒有的信息，並且表明引力波觀測是解答這些問題的切實可行方法。”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完全吻合，但廣義相對論卻與量子力學不相容，因此一些觀點認爲廣義相對論需要修正，諸如GW170817等事件是少數能在引力極限情況下驗證廣義相對論的辦法之一。

“到目前爲止，我們還沒有獲得任何新線索，愛因斯坦的理論也許正確描述了我們的宇宙，無需任何修改或增加內容，”哈里說，“但我們還有可能觀測到更強、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。”

這次事件中，雙中子星合併之後變成了什麼，依然沒有答案。科學家列出了兩種可能，一種是變成了質量非常大的中子星，另一種是變成了黑洞。但不管是什麼，它的質量大約相當於2.74個太陽。