這一次重大發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)家“與全球同步”
北京時間16日晚10時，夜幕下，位于南京鼓樓的中科院紫金山天文臺四樓會議室燈火通明，一場與全球多國科學(xué)家同步舉行的重大新聞發(fā)布會正在舉行。當(dāng)紫金山天文臺臺長楊戟宣布，包括紫臺在內(nèi)的科學(xué)家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”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號時，人群沸騰了!
宇宙深處傳來的“天籟之音”
要言及“雙中子星引力波事件”，首先必須了解“引力波”。紫金山天文臺研究員吳雪峰介紹說：“引力波是一種時空漣漪，如同石頭被丟進水里產(chǎn)生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產(chǎn)生引力波?！睋?jù)了解，100年前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，廣義相對論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。
在上個世紀40年代，曾有不少物理學(xué)家質(zhì)疑引力波的存在，另外還有大部分的物理學(xué)家認為，引力波如此微弱，是不可能探測到的，引力波成為天文觀測的最后一塊空白。
天體劇烈活動引起的時空擾動，好比在浩渺的宇宙中央投下一顆石子，歷經(jīng)10多億年漫漫星系之旅，時空的漣漪最終與地球邂逅1秒鐘。2016年2月11日，美國科學(xué)家宣布探測到引力波，無異于石破天驚，引爆全球關(guān)注熱潮，因為人類為了這最后1秒的相遇，已苦苦探尋百年。
引力波，被譽為從浩瀚宇宙深處傳來的“天籟之音”，它的發(fā)現(xiàn)改變了歷史，直接探測到引力波相當(dāng)于完成了對愛因斯坦廣義相對論驗證的“最后一塊缺失的拼圖”。這意味著我們不單單能通過電磁波觀測宇宙，還能運用引力波?！按蛞粋€比喻，電磁波是用‘看’的話，引力波更像是用耳朵去‘聽’。”吳雪峰解釋說。
截至目前，人類已發(fā)現(xiàn)4例由雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎，頒給了3名為引力波探測作出重要貢獻的美國科學(xué)家，引力波天文學(xué)的時代正在到來。
全球天文望遠鏡齊捕“引力波”
今年8月17日，美國激光干涉引力波觀測臺（LIGO）和歐洲“室女座”引力波探測器（VIRGO）同時發(fā)現(xiàn)一個新的引力波信號GW170817。與前4例黑洞合并所產(chǎn)生的引力波不同，GW170817是一個由雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X光、紫外和射電等多個波段開展后續(xù)觀測，確認引力波信號來自距離地球約1.3億光年的長蛇座內(nèi)NGC4993星系，兩顆中子星的質(zhì)量均不超過太陽的兩倍。
“8月17日，美國LIGO在亞利桑那州和華盛頓州的觀測站，以及位于意大利的VIRGO觀測站在幾毫秒的時間差中，接收到了引力波GW170817信號?！弊辖鹕教煳呐_王力帆研究員介紹，之后1.7秒后，美國宇航局Fermi伽瑪射線衛(wèi)星和歐洲INTEGRAL衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標伽瑪暴GRB 170817A。就像三顆衛(wèi)星就可以進行GPS定位一樣，LIGO和VIRGO接收到的信號使引力波來源被“定位”在10平方度范圍內(nèi)，大約相當(dāng)于45個太陽所占據(jù)的天區(qū)，全球各地的天文機構(gòu)紛紛行動起來，采用伽瑪射線、X射線、紫外、光學(xué)和射電等多種手段，對目標區(qū)域進行了地毯式搜索。
中子星的質(zhì)量通常是太陽的1—3倍，而黑洞的質(zhì)量則通常在太陽的幾十倍以上，因此黑洞合并就像一塊大石頭投進水中，引發(fā)的漣漪較大，容易接收，而中子星合并則像往水里扔一塊小石頭，引發(fā)的引力波事件不太容易監(jiān)測，因此引力波事件GW170817雖然仍然“余波蕩漾”，但是因為信號太弱，目前地球上已經(jīng)無法接收到相關(guān)信號。
由中子星合并探尋宇宙“黃金之源”
人類直接探測到引力波，無疑是本世紀迄今為止，在天文學(xué)領(lǐng)域最具里程碑意義的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，就像望遠鏡的發(fā)明或太空無線電波的發(fā)現(xiàn)一樣。引力波事件GW170817的發(fā)現(xiàn)，更意味著全球天文界已經(jīng)可以把引力波探測從前沿手段變成常規(guī)手段，也標志著以多種觀測方式為特點的“多信使”天文學(xué)進入一個新時代。
對于天文學(xué)家來說，研究宇宙和天體的信息載體，從電磁波延伸到了引力波，不單讓現(xiàn)代物理學(xué)的根基更加堅實，也意味著科學(xué)家抓住了揭開宇宙奧秘的“鑰匙”，有助于人類洞悉整個宇宙的起源和運行機制。如果找到合適的引力波，人們將有機會為大爆炸等一系列基本物理假設(shè)找到證據(jù)。到那時，人類會以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。
“中子星合并是宇宙的‘巨型黃金制造廠’，借助引力波探究中子星，可以讓人類窺見金、銀等超鐵元素是如何在宇宙中產(chǎn)生的?！弊辖鹕教煳呐_研究員王力帆介紹說，他參加的國際團隊，通過引力波光學(xué)信號的觀測和光譜分析確定，此次雙中子星合并拋射出1%量級太陽質(zhì)量（超過3000個地球質(zhì)量）的物質(zhì)，這些物質(zhì)以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質(zhì)發(fā)生核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波光學(xué)對應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，證實了雙中子星合并事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。
另一方面，在引力波探測的牽引下，將會帶動激光、材料、光學(xué)、工程、計算機等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展，LIGO的很多技術(shù)將對甚至已經(jīng)對半導(dǎo)體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等實用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
這一次中國科學(xué)家沒有錯過
身在南京的中科院紫金山天文臺博士生胡鐳是負責(zé)遠程監(jiān)控南極巡天望遠鏡的工作人員，他第一個注意到望遠鏡AST3-2“有情況”。
8月18日21：10，即引力波事件GW170817被監(jiān)測到24小時后，中國科學(xué)家利用正在中國南極昆侖站運行的AST3-2展開了長達10天的有效觀測，不僅獲得了大量重要數(shù)據(jù)，而且探測到此次引力波事件的光學(xué)信號。中國科學(xué)家的此次觀測可謂克服了重重困難，一方面是天文望遠鏡架設(shè)于南極大陸最高點，而引力波事件GW170817在其觀測的邊緣區(qū)，這意味著需要把望遠鏡指向距離地面只有二十幾度的方向，這已經(jīng)是AST3-2的極限，一旦卡住就會在南極的夏天被陽光直射造成損害。另一方面，從一片光芒的星系中尋找到雙子星合并發(fā)出的光學(xué)信號難度極大，這相當(dāng)于在茫茫燈海中尋找一只螢火蟲，需要進行特殊的信號處理。
經(jīng)過幾天的數(shù)據(jù)采集，以及對緩慢數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却?，紫金山天文臺南極天文中心的兩名博士生胡鐳、孫天瑞在國家天文臺的博士生馬斌和南京大學(xué)的博士生梁恩思同學(xué)的協(xié)作下，調(diào)試好了數(shù)據(jù)分析程序，干擾螢火蟲光芒的“燈海”被成功地關(guān)掉，8月18日觀測圖像中的光學(xué)信號也終于浮出了水面。隨后，紫臺吳雪峰研究員和南京大學(xué)戴子高教授等對數(shù)據(jù)進行分析，并計算出此次雙子星合并拋射出的物質(zhì)質(zhì)量。
國家天文臺南極團組負責(zé)人商朝暉說，AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺南極巡天望遠鏡，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠鏡，并且實現(xiàn)了極端環(huán)境下無人值守全自動監(jiān)測。目前，它主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學(xué)對應(yīng)體探測等天文研究。此次我國南極望遠鏡成功追蹤并獨立觀測到GW170817引力波光學(xué)信號，意味著中國天文設(shè)備正加入國際關(guān)鍵天文事件的直接觀測。
本報記者 王宏偉 吳紅梅
