北京時間6月16日下午10，在華盛頓全國記者俱樂部舉行了壹場長達兩個小時的新聞發布會。LIGO的執行董事David Reitze宣布，LIGO和處女座將在2065438年用激光幹擾引力波天文臺。它是由兩顆質量分別為1.15和1.6太陽質量的雙中子星合並而成。根據探測日期，該編號為GW170817，距離我們65438+3億光年。此外，在世界各地許多天文學家和探測設備的共同努力下，還發現了引力波事件的電磁對應體。
2016年初，大衛·利茲站在同壹個地方，宣布人類首次探測到引力波——那時候，我們說壹個多信使天文學的新時代即將開啟。在GW170817的這次探索中，人類首次同時探測到了引力波及其電磁對應物，可視為引力波多信使天文學時代的真正開始，在天文學發展史上具有劃時代的意義。另壹方面，兩顆中子星的合並通常被視為伽馬射線爆發的壹種來源，會產生許多不同的觀測現象。因此，我們可以通過整合引力波、電磁波等觀測手段，對中子星這種神秘天體進行更細致的了解。
圖1:兩顆中子星合並的引力波和相應的電磁信號首次被人類探測到。
圖2:中子星合並產生的引力波信號與之前黑洞產生的引力波信號的持續時間對比。這壹次雙中子星大約持續了100秒，它只顯示了50多秒。
圖3:可以看出，LIGO引力波信號的結束時間與伽瑪暴的開始時間相差約2秒。
就像我們第壹次直接探測到黑洞的引力波壹樣，雙中子星引力波的探測完全是壹個意外，來得有點早。此前，基於對雙中子星的了解和對LIGO探測靈敏度的分析比較，科學家們估計VIRGO室女座至少在LIGO進壹步升級並達到預期靈敏度之前，幾乎至少要到2019年才能探測到雙中子星的合並。人類提前兩年成功探測到兩顆中子星合並，這是壹個奇妙的驚喜。如果追究原因，除了被探測系統離我們比較近之外，多方面的配合是促成探測成功的重要因素。
1，全球合作，有針對性。
GW170817的偵破過程振奮人心，值得註意，甚至比國際刑警組織的跨洲追捕逃犯還要精彩。
2065438年8月17日，世界各地的天文學家得到壹個消息，LIGO和室女座探測器探測到壹個新的引力波信號，持續時間約為100秒，其形式與兩顆中子星的合並相壹致。在引力波信號到達後約1.7秒，美國國家航空航天局費米衛星攜帶的伽瑪射線暴監測儀(GBM)和歐洲積分望遠鏡攜帶的SPI-ACS探測器都探測到了微弱的短時尺度伽瑪射線暴，並將其命名為GRB170817A。由於時空的壹致性，它們被認為與引力波事件有關聯(“關聯”是指兩種現象有關聯)。
得知這個消息後，世界各地的望遠鏡開始忙碌的觀測。在不到11小時的時間裏，智利的Swope超新星巡天(SSS)望遠鏡首次在星系NGC4993中觀測到壹個明亮的光源，該光源被初步確認為其光學對應物，編號為2017gfo/SSS17a。之後，其他幾個團隊獨立檢測了光源並確認。
在接下來的幾周裏，天文學家們使用了壹些世界上最先進的望遠鏡，如錢德拉X射線望遠鏡，哈勃太空望遠鏡，位於智利的直徑為8.4米的甚大望遠鏡，以及亞毫米波段靈敏度最高的阿塔卡馬大型毫米波陣列ALMA，對這壹地區進行了密集的觀測。這些觀測提供了從合並前約100秒到合並後數周的這壹災難性事件的全面描述，並最終證實了科學家的許多猜想:NGC4993星系中兩顆中子星的合並產生了引力波、短伽馬暴和數千顆新星。
圖4:(左)歐南站幾臺不同的望遠鏡看到的引力波源對應的光學圖像。(右)哈勃望遠鏡在不同時間觀測到的圖像。
這種探索是全球合作的完美體現。然而，正如大衛·利茲在新聞發布會上所說，美國國家航空航天局費米衛星伽馬射線爆發信號的探測使這次LIGO探索大放異彩。雖然引力波信號先於伽馬射線信號產生，但有趣的是，美國國家航空航天局費米衛星發出的探測信號早於LIGO團隊的信號。原因是GRB170817A被美國國家航空航天局費米衛星的GRB監視器探測到，相關警報被自動發送到GCN系統。然而，LIGO的自動數據分析大約需要6分鐘——科學家們首先在LIGO漢福德天文臺幾乎同時的數據中發現了壹個引力波事件候選體GW170817，並發現這個引力波比GRB170817A早兩秒發生，Virgo處女座快速反應小組隨後人工檢查了數據。後來科學家在歐洲積分衛星的觀測數據中進壹步證實了伽馬射線暴信號的存在。原本不起眼的伽馬射線暴信號，因為與壹個強引力波候選共存，壹下子引起了整個天文學界的觀測興趣，這個天區也成為了熱門的觀測對象。
在9月底的第四次引力波大會上，姍姍來遲的處女座已經將LIGO探測器的空間定位範圍從1160平方度縮小到100平方度，兩者的配合大大提高了空間位置的精度。如果用貝葉斯統計方法進壹步估計所有可能的參數，空間位置將進壹步縮小到60平方度。這樣空間定位全面提升了近20倍。在這次雙中子星事件中，三個探測器最終將源定位在28平方度的範圍內。正是因為空間定位的精度大大提高，電磁波剖面探測的空間確認才成為可能。
圖5:目前探測到的五個引力波空間位置對比圖。黃色為最新引力波GW170817確定引力波源的區域。
聯合觀測的另壹個重要意義是快速反應。無論是費米觀測到的伽馬射線暴，還是VIRGO室女座觀測到的引力波，持續時間都非常短，因此其他天文臺和觀測者需要立即跟進可能的區域，這就需要壹個系統立即告知可能的位置信息。
關於伽瑪射線暴，在上世紀末BeppoSAX衛星在軌運行期間，該網絡已經出現，美國國家航空航天局建立了伽瑪射線協調網絡(GCN)的郵件系統。壹旦衛星探測到伽馬射線爆發信號，它會以最快的速度向系統發送伽馬射線爆發的位置信息，任何訂閱郵件系統的人都可以立即收到提示，以便進行可能的觀測。這次費米觀測用這個系統以最快的速度通知了全球很多組織，然後很多望遠鏡也加入了觀測。當然，對於VIRGO處女座組織來說，為了保證其可能的後續觀測，他們已經與全球近70個觀測組織簽訂了備忘錄合同(中國有近10個組織)，壹旦探測到引力波信號，他們也會通過自己特有的渠道傳遞相關信息。
2.雙中子星合並比雙黑洞合並好看。
發布會上提到，這次探測到的引力波是兩顆中子星合並產生的。之前公布的四次引力波事件都是由雙黑洞產生的。兩者最大的區別是兩顆中子星的合並會產生電磁輻射，但對於黑洞，我們通常認為不會，這壹點也得到了觀測的驗證。
是什麽造成了這種差異？壹般來說，根據天體物理輻射的理論要求，要產生電磁輻射，天體周圍必須有氣體。對於黑洞系統來說，雖然壹開始黑洞周圍可能存在大量氣體，但在漫長的演化過程中，如果沒有更多的氣體源，氣體在黑洞合並的最後階段已經消耗殆盡，因此無法產生電磁輻射，只能產生擾亂時空的引力波，就像科學家之前探測到的四次壹樣。
在兩顆中子星合並之前，周圍的氣體很可能已經被消耗掉了。但是在合並的過程中，會有壹些物質以接近光速或者遠低於光速的速度被拋出，從而產生我們所看到的各種電磁現象——短時間尺度的伽瑪射線暴、伽瑪射線暴余輝以及成千上萬的新星。接近光速運動的物質產生費米衛星看到的伽馬射線爆發，而低速運動的物質產生成千上萬的新恒星，這些新恒星被許多光學/紅外望遠鏡捕捉到。
等等，什麽是短時間尺度的伽瑪暴，伽瑪暴余輝，千萬顆新星？下面就壹個壹個說吧。
簡單來說，伽瑪射線暴就是伽瑪射線輻射在天空中某個方向突然變亮的現象，可以說是宇宙大爆炸以來最劇烈的天體爆炸。20世紀90年代初，康普頓伽瑪射線天文臺在觀測了數千個伽瑪射線暴後做了壹個簡單的統計，並根據持續時間將其分為兩類:壹類是爆發時間長於2秒的長時間尺度伽瑪射線暴，另壹類是爆發時間短於2秒的短時間尺度伽瑪射線暴。深入研究後發現，這兩種伽瑪暴的起源完全不同。
按照目前的理解，無論是大質量恒星坍縮導致的長時間尺度伽馬射線暴，還是雙致密星導致的短時間尺度伽馬射線暴，雖然中心天體不同(要麽是黑洞，要麽是極速旋轉的磁星)，但伽馬射線暴的產生機制和後續演化都可以用壹種叫做“火球模型”的理論來解釋。在這個理論中，中心天體會在壹段時間內產生相對連續的極端相對論噴流，這意味著這些噴出的物質會以接近光速的速度沿著天體的軸向外運動。由於噴出的物質之間存在微小的速度差異，相互碰撞，將其動能轉化為氣體粒子的熱能，然後在磁場的作用下產生我們看到的高能輻射，也就是早期的伽馬射線，這就很好地解釋了我們看到的伽馬暴。大質量恒星產生的噴流時間長，兩顆中子星合並產生的噴流時間短，導致我們觀測的不同。
這些恒星周圍有星際氣體介質。噴流物質停止相互碰撞後，會繼續向外運動，與周圍的氣體介質相互作用，將自身運動的能量傳遞給周圍的星際氣體。星際氣體受熱產生強輻射，稱為伽瑪射線爆發余輝。它的能譜帶將從X射線延伸到無線電波段。在某種程度上，余輝的強度與周圍星際氣體的密度有關。密度越高，余輝越亮。
這次與引力波有關的伽馬射線爆發屬於短時間尺度的伽馬射線爆發，因為費米衛星觀測到的爆炸時間尺度是0.7秒。此外，無論是引力波的結果，還是電磁波的觀測和擬合結果，都與雙中子星合並的預期壹致。比如引力波波形的擬合，告訴我們中子星的質量，與中子星的質量範圍是壹致的。
兩顆中子星合並過程中，向四面八方拋出了約1/1，000到1/1，000個太陽質量的物質，形狀類似球體。這些噴出的物質通過快中子俘獲過程產生大量的重元素。這些元素不穩定，能迅速衰變，產生輻射加熱拋射體，從而使其發出明亮的可見光和近紅外輻射，其亮度通常達到數千倍的新星級別，因此被稱為“千新星”。因為這顆千新星距離地球很近，所以很亮，是之前探測到的短時尺度伽馬暴距離的十分之壹。
圖6:雙中子星壹起旋轉，最後合並產生成千上萬顆新星的過程。
因為產生引力波的天體完全不同，所以我們觀測到的引力波波形會有很大的不同。與黑洞相比，中子星的質量要小得多，在並合過程中時空的擾動和形變也更弱。所以在目前探測器靈敏度確定的情況下，我們只能探測附近的引力波信號。這個引力波源距離我們1.3億光年，是目前為止探測到的所有引力波源的最新例子。通過波形擬合，科學家確定兩顆中子星的質量分別約為1.15和1.6個太陽質量。合並後的天體質量約為2.74個太陽質量，僅噴射出0.01個太陽質量。
3.已解之謎和未解之謎
此前，我們仍然有許多難以回答的問題，無論是中子星本身，還是兩顆中子星合並產生的伽馬射線爆發。兩顆中子星合並後，是中子星還是自轉速度更快的黑洞？爆炸會拋出多少物質？噴射的機理和噴射的角度是什麽？我們還不確定。
另外，到目前為止，科學家對中子星的成分和結構還不是特別清楚。當兩顆中子星相互靠近但沒有合並時，兩顆中子星會因彼此的引潮力而發生嚴重變形，最終影響自旋速度和引力波波形。因此，科學家們希望引力波和電磁波的聯合觀測能夠為這些問題提供壹些珍貴的答案。
可惜由於目前引力波探測設備的靈敏度，引力波信號曲線不是很好，所以關於內部結構的問題壹直沒有得到解答。不過，對於部分合並後拋出了多少素材的問題，我們有了初步的答案。值得驕傲的是，這個答案是由壹臺參與觀測的中國望遠鏡給出的。(答案馬上公布)
兩顆中子星的合並產生了中子星還是黑洞？現在還不確定。因為通過引力波波形的擬合，合起來的質量大約是2.74個太陽質量。理論上，如果壹個天體的質量超過3個太陽質量，通常被認為是黑洞。但是中子星的最大允許值並不明確。如果中子星內部由中子組成，綜合考慮物態方程和轉速，不可能達到2.74個太陽質量。但如果內部是由其他外來物質(如誇克)組成，在壹定條件下，這種質量的天體有壹定的可能性，此時這個天體應該被稱為“誇克克星”。但是目前所有的觀測都沒能給出中子星和黑洞的臨界質量，當然也沒能給出誇克存在的證據。從觀測角度來看，我們觀測到的最重的中子星大約是2個太陽質量，最小的黑洞質量是5個太陽質量；在這兩者之間，有壹個空白，沒有發現任何致密天體的質量屬於這個範圍。因此，雖然我們不確定兩顆中子星合並產生的2.74太陽質量天體是什麽，但這壹發現填補了黑洞和中子星之間的空白，為未來更多的天文發現拉開了帷幕。
圖7:目前探測到的黑洞和中子星的質量分布圖顯示兩者差距很大。這次探索是填補這壹空白的第壹個天體。
雖然科學家沒有看到中子星內部的信息，也不知道最終的合並是什麽，但是後來的很多電磁觀測還是告訴了我們壹些不確定的信息。例如，甚大望遠鏡(VLT)的光譜觀測確認了重金屬(比如我們熟悉的金、銀)的來源，它們大多是在中子星並合過程中產生的。
圖8:元素起源表。黃色代表中子星合並產生的元素，我們常見的金銀就是通過這個過程產生的。
此前，科學家已經在短時間尺度伽馬暴中探測到三個疑似數千顆新星的案例，但在余輝的光變曲線中只看到了很少的數據點。因為距離很近，伽馬射線暴的余輝很弱，完全證實了上千顆新星的存在。此外，通過擬合其光變曲線的演變可以推斷，約有1%的物質在合並過程中被拋出。
再說了，電磁信號和引力波信號結合對天文理論本身有什麽意義？壹方面，科學家可以通過這兩個信號到達的時間差來檢驗愛因斯坦的弱等效原理，這是愛因斯坦廣義相對論和其他引力理論的基石，愛因斯坦的理論再次通過了檢驗。
此外，引力波信號和電磁信號的結合可以限制宇宙學的壹些基本參數，比如用於描述宇宙膨脹速度的哈勃常數。通過引力波的振幅比較，可以推斷出系統到我們的光度距離，通過電磁波的光譜分析，可以知道這個系統的紅移。給定這兩者，我們可以計算哈勃常數的值:
與普朗克衛星的數值相比:
顯然，引力波給出的數值誤差非常大。但可以預見的是，隨著探測精度的提高(除VIRGO室女座外，KAGRA探測器臂長3公裏也已開始測試，-印度和許多第三代引力波探測器正在計劃中)和探測到的引力波源數量的增加，這種誤差很快會得到改善。
引力波發生在南方的蛇夫座，北方的望遠鏡很難看到，所以國內大部分望遠鏡都未能觀測到，比如新建的FAST和many光學望遠鏡(雲南麗江2.4m望遠鏡，國家天文臺興隆觀測站2.16m光學望遠鏡等。).
不過幸運的是，中國有兩臺望遠鏡參與了這次觀測。壹個是位於南極Dome A的50cm南極光學巡天望遠鏡(AST3)，項目負責人是紫金山天文臺的王立凡研究員。引力波源信息發布後壹天左右，AST3望遠鏡對這個目標源進行了觀測。當時南極冬季剛剛過去，目標天體的地平高度較低。由於太陽的限制，每天幾乎有2個小時的觀測時間。望遠鏡最終觀測了10天，最終得到了目標天體的光變曲線，與巨星新星的理論預測高度壹致。
觀測的另壹個參與者是硬X射線調制太空望遠鏡(也稱為眼睛)。觀測消息發布時，該事件正好在其觀測範圍內，但遺憾的是，雖然顏回是這個能量帶最靈敏的觀測設備，但它未能探測到0.2-5 MeV能量帶的任何電磁信號，這很可能與這次伽馬暴並不完全適合我們有關。
這是人類歷史上首次同時探測到引力波及其電磁對應體，這將成為引力波天文學的又壹個非常重要的裏程碑。這壹探索為我們解答了壹些疑惑，但也提出了更多的問題。和歷史上所有的天文發現壹樣，是人類好奇心的勝利和新起點。在多信使引力波天文學時代的大幕拉開之後，我們相信，憑借人類團結合作的力量，更多的宇宙奧秘將被壹壹揭開。