人类首次探测到中子星合并产生的引力波，并同时看到它们发出的光

“多信使”天文学时代正在开启。

艺术家笔下描绘的中子星合并。ESO

有史以来第一次，人类科学家直接探测到了两颗中子星合并时产生的引力波，并同时目睹了它们合并时发出的耀眼光芒。这也是人类第一次通过引力波和电磁波两种不同的方式，对同一起宇宙事件进行观测。

这一发现是由美国的LIGO引力波天文台、欧洲的Virgo引力波天文台，以及至少70个遍布全球各处的地面电磁波天文台（包括中国的南极巡天望远镜）和空间望远镜共同取得的。

艺术家笔下发生合并的中子星。ESO

中子星是大质量恒星发生超新星爆发后残留下来的致密小天体。这些天体在相互回旋靠近的过程中，会产生持续时间相当长久的引力波。中子星合并之后，会在伽马射线的波段上发出闪光。这个闪光会在我们感知到引力波后不超过2秒时到达地球。而在随后的几天至几星期内，我们还能够接收到来自合并事件的多种形式的电磁波，如X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。

此次联合观测，让天文学家有一次空前的机遇，来探测中子星的合并。美国双子座天文台、欧洲南方天文台、哈勃太空望远镜还捕捉到了物质合成过程留下的证据，从而解开了一个悬而未决的谜团，即大部分比铁重的元素究竟是从何而来的？这些被中子星合并制造出来的物质包括金和铂。

相关成果以多篇论文的形式发表在了最近的《物理学评论通讯》等杂志上。

发生合并的中子星位于距地球约1.3亿光年的星系NGC 4993。这是欧洲南方天文台拍摄的该星系。ESO

这次引力波事件的编号为GW170817，是今年8月17日由两个LIGO天文台的探测器发现的。在意大利Virgo天文台的协助下，科学家较为精确地确定了信号的方位。

8月17日，LIGO的实时数据分析软件捕捉到了一个来自其中一台探测器的强引力波信号。而与此同时，NASA的费米太空望远镜监测到了一次伽马射线暴。分析软件综合这两个信号的分析结果后得出结论，巧合的可能非常低。与此同时，另一个LIGO探测器也同时接收到了一个引力波信号。随后，一次全球性的大规模后续观测行动立即展开。

红色箭头所指即为发生合并的中子星，也就是那颗“千新星”。ESO

LIGO的引力波数据表明，目标天体离地球大约1.3亿光年，且在持续地回旋靠近中。这一距离相对较近。数据还表明，这两个天体的质量不大，和之前发现的不一样，不是黑洞。它们的质量分别只有太阳的1.1和1.6倍，恰好符合中子星的质量标准。中子星的直径通常在20公里左右，密度大得让人难以想象——一勺中子星物质便可重达几十亿吨。

双黑洞合并产生的引力波信号比较短促，不足一秒，而此次的引力波信号竟然长达100秒，且几乎覆盖了LIGO的整个频段。科学家由此判定，这两个天体的质量比黑洞要小得多。

中子星合并产生的引力波信号GW170817。LIGO

LIGO科学合作组织的代理发言人Laura Cadonati表示，中子星合并事件的发生概率是非常低的。在自然的随机状态下，每8万年也不见得能够发生一次。而这次合并的这两颗中子星离地球却又如此之近。因此，能够获得这一发现实属幸运。这一发现无疑开启了天体物理学研究的一扇新窗，足以开创历史。

与合并事件几乎同时发生的伽玛射线暴被费米望远镜捕捉到后，又被欧空局的伽玛射线天文台进一步确认为是一次短伽玛暴。这两颗中子星在合并过程中至少发生了一次短伽玛暴。而此前，这一切只存在于理论中。

NGC 4993星系中“千新星”亮度的变化。ESO

费米项目科学家Julie McEnery表示，几十年以来，我们一直都在猜测，短伽玛暴是否就是中子星合并产生的。现在，我们得到了答案。引力波数据告诉我们，这两个合并天体的质量符合中子星标准；与此同时伽玛射线的闪光又告诉我们，这两个天体不是黑洞，因为黑洞的合并一般不会发出闪光。

旧谜得解，新的谜团却又涌现。这次观测到的短伽玛暴是距地球最近的伽玛暴之一，而其强度却又令人吃惊地小。科学家们已经开始推测这背后的原因，但结果出来可能还要等上几年。

信源在天空中的位置。ESO

这次观测成果的取得，得益于团队的通力合作。在LIGO、Virgo及费米太空望远镜探测到引力波和伽玛暴信号之后，科学家们很快便以相对较高的精度，在天空中确认了信号源的位置。

坐标确定几小时后，后续的观测工作便忆展开。信号的来源与新星相似，首先发现它的是一台光学望远镜。最终，全球大约70多个天文台，既包括地面的，也包括在轨的太空望远镜，各显神通，在它们各自擅长的波段范围内进行了观测。

2014年和2017年NGC 4993星系同一位置的对比。ESO

正如加州理工学院的David H. Reitze所说的那样，这次探测活动开启了一扇通往人们期待已久的“多信使”天文学的窗口。这是有史以来第一次，我们在引力波和电磁波两个不同的领域，对同一起灾难性的天体物理学事件进行观测。引力波天文学的介入，为我们提供了新的机遇，来理解中子星的特性。而单靠电磁波天文学是办不到这一点的。

每一个通过电磁波进行观测的天文台都出具了各自的详细观测报告。与此同时，将所有这些观测结果综合到一起后，一个完整的结果便浮现在我们眼前。它进一步向我们证实，LIGO探测到的引力波信号确实来自一对回旋合并的中子星。

艺术家描绘的双中子星，它们正在回旋中相互靠近，并同时产生引力波。ESO

大约1.3亿年前，两颗中子星在经历了漫长的互相环绕运行之后，走到了它们生命中的关键时刻。此时的它们相距只有大约300公里。而随着回旋的速度越来越快，它们之间的距离也越来越近。它们拉伸、扭曲着周围的时空，将能量以强大的引力波形式释放了出去，直至最终撞到一起。

碰撞发生时，两颗中子星的大部分融合在了一起，成为了一个密度超大的新天体。与此同时，一个伽玛射线的“火球”被生产了出来。引力波和伽玛暴几乎同时到达地球，进一步证明了爱因斯坦广义相对论的预言，即引力波以光速传递。

中子星合并后产生的“千新星”（星系内部左上角的亮点）。ESO

理论学家预言，中子星相撞后会产生一颗所谓的“千新星（kilonova）”。它是中子星相撞后剩余物质发出的光。这些物质会朝着四周的太空飞溅。光学观测结果表明，一些重元素，如铅和金，在此过程中被制造了出来，扩散到了周边的宇宙中。

在接下去的几个星期至几个月中，全球各地的望远镜还将继续观测这对中子星合并留下的余晖，确认合并过程中理应存在的多个阶段，了解它和周边环境的相互作用和重元素的制造过程。