引力波探测新纪元 慧眼卫星做贡献

　　北京时间2017年10月16日22点，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件（编号GW170817），国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜——在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体（简称引力波闪）在高能区（MeV，百万电子伏特）的辐射性质给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献，相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中[1]。这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体，是引力波天文学的极为重要的里程碑，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了引力波天文学时代。

图1： 慧眼望远镜示意图

　　引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。极端天体物理过程中引力场急剧变化，产生时空扰动并向外传播，人们形象地称之为“时空涟漪”。自从2015年9月14日LIGO首先发现双黑洞并合产生的引力波事件（编号GW150914）以来，已经探测到4例引力波事件，包括前不久LIGO和Virgo联合探测的GW170814。
　　引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用，因此，人们普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件产生的电磁辐射。本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同，它由两颗中子星并合产生。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波，而且能产生电磁波，即引力波电磁对应体，因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现。

图2： 双中子星并合过程既能产生引力波，又能产生电磁波（图片来自网络）

　　本次LIGO探测到的引力波信号持续百秒左右；引力波信号结束后大约2秒，美国费米卫星搭载的伽马暴监测器（GBM）以及欧洲INTEGRAL望远镜搭载的SPI-ACS探测器均探测到一个暗弱的短伽马暴（编号GRB170817A），跟引力波事件成协；其后，光学望远镜发现光学对应体（编号AT2017gfo/SSS17a），几天后还探测到该引力波源发出的X射线以及射电波段的电磁辐射。
　　因为该引力波事件具有极为重要的意义，天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测，形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。然而，引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区，慧眼望远镜便是其中之一。
　　在这些望远镜中，慧眼在0.2-5 MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好，因此对引力波闪（即编号为GRB170817A的伽马射线暴）的百万电子伏特（MeV）能区的伽马射线辐射的探测能力最强。虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离（40 Mpc，约1.3亿光年）的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮，但本次引力波事件产生的引力波闪出乎意料的暗弱，特别是在MeV能区的辐射十分微弱，导致没有望远镜（包括慧眼在内）在这个能区探测到引力波闪。慧眼望远镜凭借强大的探测性能，对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限。

　　图：慧眼望远镜的探测结果。对本次引力波事件产生的高能电磁对应体，即编号为GRB170817A的伽马暴，及其先兆和延展辐射在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束。

　　鉴于慧眼观测限制的重要性，慧眼望远镜不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文[1]（即发现论文），而且在论文的正文部分报告了观测结果。该发现论文是关于该引力波事件的同时发表的一系列论文中最核心的领头论文，已于10月16日正式发表。
　　除了参与上述历史性的发现论文，慧眼望远镜的详细分析结果以独立论文[2]的形式已于10月16日同步发表在《中国科学：物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。
　　值得注意的是，慧眼望远镜本来的设计目标是探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体，研究极端引力场条件下的物理规律。项目组通过对慧眼望远镜辅助探测器的创新性使用，获得了额外的探测伽马暴及引力波电磁对应体的能力，使其成为国际上正在运行的最重要的伽马射线暴监测设备之一，大大扩展了望远镜的科学产出。
　　慧眼望远镜由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造，于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空，开始为期5个月的试运行。中科院高能物理研究所（粒子天体物理重点实验室）负责望远镜观测运行以及数据处理[3]。参与本次引力波事件观测时，慧眼望远镜刚刚试运行2个月。试运行结束后慧眼望远镜将开始正式的科学观测，同时继续监测研究引力波闪。慧眼望远镜的科学运行以及引力波电磁对应体的探测研究分别获得了科技部大科学装置前沿研究重点专项以及中国科学院战略性科技先导专项的支持。
　　在LIGO合作组2016年宣布探测到引力波之后，发现引力波事件的电磁对应体便成为最重要的天体物理问题之一。在慧眼望远镜的技术基础之上，中国科学院高能物理研究所提出了专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目（GECAM），并将其命名为“闪电”。“闪电”采用针对性优化设计，不仅能够同时监测全天随机爆发的引力波闪，而且具有更低的探测阈值、更高的监测灵敏度以及更好的定位能力，对引力波闪的综合探测性能远超现有望远镜。在中国科学院前沿科学重点研究计划的支持下，“闪电”项目的关键技术攻关以及方案设计的大部分工作已经完成。如果立即立项，可以在2020年前发射升空，从而赶上与升级到最佳灵敏度的LIGO和Virgo等引力波探测器进行联合观测，获得最大的科学产出，届时再加上慧眼卫星已经展示的高能区天区覆盖和灵敏度优势，将使我国在引力波闪的探测研究上达到国际领先水平。
　　[1] B。 P。 Abbott et al。， Multi-messenger Observationsof a Binary Neutron Star Merger， AstrophysicalJournal Letters， 2017， doi：10.3847/2041-8213/aa91c9
　　[2] Li， T。 P。， Xiong， S。 L。， Zhang， S。 N。， et al。，Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817，Science China Physics， Mechanics & Astronomy， 61（3）， 031011 （2018），doi：10.1007/s11433-017-9107-5
　　[3] http://www.hxmt.org
　　1
　　引力波直接探测
　　引力波的直接探测非常困难，主要有两方面原因：
　　1、引力波本身信号非常微弱
　　2、由于探测引力波的探测器本身没有定位能力，依靠到达不同探测器信号的时间差定位对引力波进行定位，所以确定引力波源在宇宙中的具体位置非常困难
　　美国三位科学家Rainer Weiss（雷纳·韦斯）、Kip Thorne（基普·索恩）、Barry Barish（巴里·巴里什）因直接探测到引力波而被授予2017年诺贝尔物理学奖，实至名归！
　　目前，全球可直接探测引力波的精密仪器非常少，地面装置除LIGO外，在意大利和德国也有类似的装置，这些仪器造价昂贵，为了更好地研究和理解引力波的微弱信号，科学家们同时也在探测引力波对应的电磁辐射（电磁对应体），对引力波电磁对应体的研究意义也堪比引力波信号的直接探测。
　　2
　　引力波电磁对应体探测
　　电磁信号既能够帮助证认一些微弱的引力波信号、增加发现引力波事件的能力，也能够为引力波事件提供前身星、周围环境以及宿主星系等重要信息。
　　引力波信号为相应电磁对应体提供仅靠电磁信号难以获取的天体物理信息，比如双致密星并合的前身星、光度距离和视向角等，引力波和电磁信号联合分析将为揭示这些现象的物理机制提供全新的手段和视界。
　　引力波和电磁信号协同观测可用以研究若干基础物理和宇宙学问题，比如：利用引力波信号和电磁信号的时间延迟，测量引力波速度；利用引力波波源作为标准铃声（standard sirens）测量光度距离，利用电磁信号测量红移，从而获得全新的宇宙学距离-红移关系，检验宇宙学模型、测量宇宙学常数、研究暗能量和暗物质等。
　　虽然引力波刚刚为人类打开了一扇崭新窗口，但天文学发展至今，电磁波段是发展最完善、理论研究最系统和透彻的观测窗口，也是现有探测手段和设备最丰富的窗口，绝大多数观测研究都是建立在电磁波的基础上。