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出品：科普中國

制作：黑洞來客 茍利軍 黃月

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

距離3位引力波科學(xué)家捧得2017諾貝爾物理學(xué)獎剛剛過去十幾天，一場聲勢浩大又神秘兮兮的發(fā)布會再度吸引了全世界的目光。在引力波探測已經(jīng)日?；慕裉?，是什么大新聞能惹出這么大的動靜呢？答案于昨晚揭曉了。

圖1：人類首次探測到雙中子星合并的引力波以及相對應(yīng)的電磁信號

圖2：中子星合并產(chǎn)生的引力波和之前黑洞產(chǎn)生的引力波信號持續(xù)時間比較圖，此次雙中子星持續(xù)了大約100秒，這里只是展示了50多秒。

北京時間10月16日晚10點，一場長達兩小時的新聞發(fā)布會在華府全國新聞俱樂部（National Press Club）召開，LIGO執(zhí)行主任大衛(wèi)·萊茲（David Reitze）宣布，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（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！由兩個質(zhì)量分別為1.15和1.6個太陽質(zhì)量的雙中子星并合所產(chǎn)生，根據(jù)探測日期確定編號為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應(yīng)體。

2016年初，大衛(wèi)·萊茲曾站在這同一個地方，宣布人類首次探測到了引力波——那時候我們說，多信使天文學(xué)新紀元即將開啟。在這一次GW170817的探測中，人類首次同時探測到了引力波及其電磁對應(yīng)體，這可以被視作引力波多信使天文學(xué)紀元真正意義上的開端，在天文學(xué)發(fā)展史上有著劃時代的重大意義。另一方面，雙中子星合并通常被認為是伽馬射線暴的一類產(chǎn)生源，會產(chǎn)生很多不同的觀測現(xiàn)象，所以綜合引力波、電磁波等多個方式的觀測，我們能夠對中子星這一充滿謎團的天體做出更為詳細的了解。

圖3：可以看出LIGO引力波信號結(jié)束的時間和伽瑪暴的開始時間相差了大約2秒鐘。

正如我們第一次直接探測到黑洞引力波一樣，此次探測到雙中子星引力波也完全是一個意外，而且來得有點早。此前，科學(xué)家們根據(jù)對雙中子星的了解和LIGO探測靈敏度的分析比較，估計至少要等到aLIGO進一步升級、達到預(yù)期靈敏度之后，LIGO/VIRGO才有可能探測到雙中子星合并，差不多至少要等到2019年。人類提前兩年成功探測到雙中子星合并，算得上是一個美好的驚喜了。如果究其原因，除了探測到的這一系統(tǒng)距離我們比較近之外，多方面聯(lián)合協(xié)作是促成此次成功探測的重要因素。

1、全球協(xié)作，鎖定目標

GW170817的探測過程振奮人心、值得一表，比國際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家們獲得了一個消息，LIGO和Virgo探測器探測到了一個持續(xù)時間為100秒左右的新引力波信號，其形式與兩個中子星的并合相一致。在該引力波信號到達后大約1.7秒，NASA費米衛(wèi)星搭載的伽瑪暴監(jiān)測器（GBM）和歐洲INTEGRAL望遠鏡搭載的SPI-ACS探測器均探測到了一個暗弱的短時標伽馬射線暴，并將其命名為GRB170817A。由于二者時間和空間的一致性，被認為與引力波事件成協(xié)（“成協(xié)”指兩種現(xiàn)象是相關(guān)的）。

在得知這一消息之后，全世界各地的望遠鏡就開始了忙碌的觀測。在不到11個小時之內(nèi)，位于智利的Swope超新星巡天（SSS）望遠鏡首先在星系NGC4993中觀測到了明亮的光學(xué)源，初步確認為其光學(xué)對應(yīng)體，編號為AT2017gfo/SSS17a。在此之后，其他幾個團隊分別獨立探測到了該光學(xué)源，從而加以確認。

在接下來的幾個星期之內(nèi)，天文學(xué)家動用了世界上最為先進的一些望遠鏡，比如錢德拉X射線空間望遠鏡（Chandra X-ray Telescope），哈勃空間望遠鏡，位于智利、口徑達到8.4米的甚大望遠鏡（Very Large Telescope），還有亞毫米波段靈敏度最高的阿塔卡馬大型毫米波陣ALMA等等，對該區(qū)域開展了緊鑼密鼓的觀測。這些觀測對這一災(zāi)變性事件提供了從并合前約100秒到并合后數(shù)星期的全面描述，最終證實了科學(xué)家的很多猜想：NGC4993星系中的兩個中子星并合，產(chǎn)生了引力波、短伽瑪暴暴和千新星。

圖4：（左）歐南臺幾個不同望遠鏡看到引力波源對應(yīng)的光學(xué)圖像。（右）哈勃望遠鏡在不同時間觀測到的圖像。

此次探測堪稱全球協(xié)作的一次完美體現(xiàn)，不過，就像大衛(wèi)·萊茲在發(fā)布會上所說，NASA費米衛(wèi)星伽瑪暴信號的探測使得此次LIGO探測大放光彩。盡管引力波信號先于伽馬射線信號產(chǎn)生，但有趣的是，NASA費米衛(wèi)星發(fā)送的探測信號要早于LIGO團隊的信號。原因在于，NASA費米衛(wèi)星的伽瑪暴監(jiān)視器在探測到伽瑪暴信號GRB170817A之后，自動向GCN系統(tǒng)發(fā)送了相關(guān)警報。然而，LIGO的自動數(shù)據(jù)分析就耗時約6分鐘——科學(xué)家們先是在LIGO漢福德觀測站幾乎同一時刻的數(shù)據(jù)中，找到了一個引力波事件候選體GW170817，發(fā)現(xiàn)此引力波早于GRB170817A兩秒發(fā)生，LIGO-Virgo快速響應(yīng)團隊隨后手動檢查了數(shù)據(jù)，才向其簽訂合作協(xié)議的組織發(fā)布了警報。之后，科學(xué)家又進一步在歐洲INTEGRAL衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)中確認了伽瑪暴信號的存在。本來平淡無奇的伽瑪暴信號，因為與一個很強的引力波候選體同時存在，一下子引起了整個天文界的觀測興趣，此天區(qū)也成為了一個熱門的觀測對象。

在9月底的第四次引力波發(fā)布會上，姍姍來遲的VIRGO已使得LIGO探測器的空間定位范圍從1160平方度收縮到100平方度，二者協(xié)同合作，將空間位置的精確性大大提升。如果進一步利用貝葉斯統(tǒng)計方法對所有可能參數(shù)進行估算，空間定位將進一步縮減至60平方度。這樣一來，空間定位就足足提高了將近20倍。在這次的雙中子星事件中，三個探測器最終將產(chǎn)生源定位于一個28平方度的范圍之內(nèi)。正因空間定位準確性大大提高，電磁波段所探測到的空間確認才成為了可能。

圖5：目前探測到的5次引力波空間定位比較圖，黃色是最新的引力波GW170817確定的引力波源所在的區(qū)域。

聯(lián)合觀測的另一個重要意義是快速反應(yīng)。無論是費米觀測到的伽瑪暴，還是LIGO/VIRGO看到的引力波，持續(xù)時間都非常短暫，所以需要其它天文臺和觀測者立即對于可能區(qū)域進行后續(xù)的追蹤觀測，這就需要某個系統(tǒng)即時通知可能的位置信息。

對于伽瑪暴而言，在上世紀末BeppoSAX衛(wèi)星在軌工作期間，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)興起，NASA建立了一個伽瑪射線暴協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)（Gamma-ray Coordinates Network, GCN）的郵件系統(tǒng)；一旦某個衛(wèi)星探測到伽瑪暴信號，將會以最快速度把伽瑪暴的位置信息發(fā)送到此系統(tǒng)中，凡是訂閱了該郵件系統(tǒng)的人都能夠即時收到提示，以便開展可能的觀測。此次費米觀測正是利用此系統(tǒng)，將觀測信息以最快的速度通知給了全球的很多組織，隨后才有眾多望遠鏡紛紛加入觀測。當然，對于LIGO/VIRGO組織而言，為了保證其可能的后續(xù)觀測，他們與全球近70個觀測組織（中國有將近10個組織）簽訂了備忘錄合同，一旦引力波信號被探測到，也會通過其特有的渠道傳遞相關(guān)信息。