“極為可信的坊間傳聞”：雙黑洞之后，LIGO劍指雙中子星并合？
? 兩個(gè)正在并合的中子星，互相旋近并輻射出引力波，但相比雙黑洞系統(tǒng)更難發(fā)現(xiàn)。然而，它們應(yīng)該具有光學(xué)對應(yīng)體，有可能成為引力空間和電磁天空關(guān)聯(lián)起來的第一類天體，圖片來源：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc。
整理 | 呂浩然
責(zé)編 | 徐 可
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去年2月，激光干涉儀重力波天文臺(tái)LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）首次實(shí)現(xiàn)了直接探測引力波，這一物理界的一個(gè)“圣杯”由愛因斯坦“設(shè)計(jì)”，一度被束之高閣長達(dá)百年之久。
然而，這其實(shí)并不是一個(gè)孤立的事件，因?yàn)槟侵皇荓IGO一直持續(xù)曝光的此類事件中的第一個(gè)，或者說，LIGO及其背后的科學(xué)家們并沒有將此作為最終的目標(biāo)。就在LIGO已經(jīng)運(yùn)行的這段時(shí)間里，至少三個(gè)比較強(qiáng)烈的信號(hào)已經(jīng)證明，遠(yuǎn)在十億光年之外的兩個(gè)大質(zhì)量恒星級(jí)雙黑洞合并所產(chǎn)生的引力波的輻射，強(qiáng)烈到可以穿過浩瀚的宇宙，最終被LIGO捕捉到。
而在近日，一則“坊間傳聞”震動(dòng)學(xué)界，美國福布斯新聞網(wǎng)（Forbes.com）報(bào)道稱：繼去年2月LIGO的發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)家又面臨著新的可能性，在VIRGO（歐洲引力波天文臺(tái)）加入引力波探測之后，LIGO可能已經(jīng)進(jìn)入到了下一個(gè)引力波現(xiàn)象的探測前沿：雙中子星合并。
之所以稱之為“坊間傳聞”是因?yàn)椋c引力波探測器合作的科學(xué)家并不會(huì)對這些傳言發(fā)表評論，而應(yīng)以分析之后的官方說法作準(zhǔn)。而此次的信源則是一位天文學(xué)家的個(gè)人推特。
? 已知的LIGO雙黑洞系統(tǒng)（藍(lán)色），包括三個(gè)確認(rèn)的和一個(gè)候選體。作為比較，中子星應(yīng)該不超過3個(gè)太陽質(zhì)量，圖片來源：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)。
此次傳聞始于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的天文學(xué)家J.Craig Wheeler。8月18日，他在推特上寫道:“新LIGO，帶有光學(xué)對應(yīng)源。吹飛你的襪子!（New LIGO.Source with optical counterpart. Blow your sox off!）”。然而，在這則消息引燃輿論之后，他可能也意識(shí)到了消息引起的轟動(dòng)效應(yīng)，并于23日上午進(jìn)行了道歉，他寫道：“不論對錯(cuò)，我都不應(yīng)該發(fā)布那條推特。LIGO應(yīng)該在他們認(rèn)為合適的時(shí)間發(fā)布，我也應(yīng)對此負(fù)責(zé)（Right or wrong, I should not have sent that tweet. LIGO deserves to announce when they deem appropriate. Mea culpa.）”。然而，盡管Wheeler致歉，到底雙中子星合并是否被LIGO確認(rèn)探測到的疑云卻仍未被揭開。
? J.Craig Wheeler在Twitter上8月18日及隨后的發(fā)言截圖。
但如果雙子星合并事件被最終確認(rèn)，這樣的探測則標(biāo)志著天文學(xué)的一個(gè)新時(shí)代即將到來：在這個(gè)時(shí)代，傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡都可以看到現(xiàn)象，也可以“聽到”在時(shí)空結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)。“在我們的理解中，這將是一個(gè)不可思議的進(jìn)步，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校（University of Illinois at Urbana）的天體物理學(xué)家Stuart Shapiro說[1]。
據(jù)福布斯新聞網(wǎng)介紹，中子星合并與黑洞合并主要有三個(gè)區(qū)別：由于中子星的質(zhì)量較小但體積較大，它們發(fā)射的引力波信號(hào)幅度較小，并且發(fā)生在一個(gè)較長的時(shí)間周期上。然而，與以前的合并相比，這個(gè)信號(hào)在更長的時(shí)間內(nèi)是可預(yù)測的：有可能是數(shù)秒、數(shù)分鐘，甚至數(shù)小時(shí)之久，而與之前的大質(zhì)量黑洞僅持續(xù)幾分之一秒不同[2]。
也就是說，因?yàn)殡p中子星合并所產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度問題，我們必須要找到比雙黑洞距離地球更近的雙中子星，才能一窺其真容。就目前LIGO和VIRGO的設(shè)置，這個(gè)范圍遠(yuǎn)比雙黑洞的要小，僅為數(shù)億光年。而要想獲得同雙黑洞合并相同幅度的信號(hào)，合并的雙中子星與地球的距離要比雙黑洞的距離小近10倍。不僅如此，兩個(gè)致密中子星的合并應(yīng)該會(huì)有光學(xué)對應(yīng)體產(chǎn)生，這也與兩黑洞合并完全不同。
? 兩個(gè)中子星的旋進(jìn)和合并應(yīng)該產(chǎn)生非常特定的引力波信號(hào)，但合并的時(shí)刻也應(yīng)該產(chǎn)生唯一和可識(shí)別的電磁輻射，圖片來源：NASA
此外，預(yù)測雙中子星合并發(fā)生的頻率是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。我們不知道存在有多少的雙黑洞，而引力波天文學(xué)也僅僅只是開始向我們展示這類天體的存在。如果中子星合并只有黑洞合并的十分之一的幅度的話，這意味著它們只是黑洞距離的十分之一，這也意味著LIGO/VIRGO對中子星敏感的空間體積只有可探測黑洞體積的千分之一。為了有機(jī)會(huì)看到合并的中子星，其數(shù)量必須是并合黑洞數(shù)量的數(shù)百倍。
? 這里展示的是高新LIGO的范圍和其探測并合黑洞的能力。并合中子星可能只有十分之一的范圍和0.1％的體積，但如果中子星數(shù)量足夠多，LIGO探測到它們也就成為可能。（圖片來源：LIGO Collaboration/Amber Stuver/Richard Powell/Atlas of the Universe）
但事實(shí)可能就是這樣！如果我們不看就沒有成功的機(jī)會(huì)，只要引力波天文臺(tái)在運(yùn)行，尋找中子星的任務(wù)便能一直進(jìn)行下去。相關(guān)的模板計(jì)算也很容易（盡管計(jì)算量有些大），這也意味著如何從原始數(shù)據(jù)中提取信號(hào)才是我們所面臨的問題。當(dāng)三個(gè)天文臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，不僅LIGO/VIRGO會(huì)更加靈敏，而且還可以進(jìn)行三角定位。如果這些事件中有一個(gè)發(fā)生了，我們將第一次有機(jī)會(huì)精確地確定該事件在空間中的位置。
? 在兩個(gè)中子星旋近和合并期間，應(yīng)該會(huì)釋放巨大的能量，以及重元素、引力波和電磁波信號(hào)，圖片來源：NASA/JPL
所以，此次傳聞會(huì)不會(huì)成為雙中子星合并的第一個(gè)證據(jù)呢？雖然有科學(xué)家向《知識(shí)分子》透露，這次的傳聞的可信度極高，但就目前為止，它還僅是一個(gè)“謠言”，而不是任何參與合作人員的官方發(fā)布，但LIGO目前為止的行動(dòng)或能從側(cè)面說明。
? 盡管黑洞有吸積盤，但所期望的雙黑洞產(chǎn)生的電磁波信號(hào)應(yīng)該是不可觀測的。如果存在一個(gè)電磁對應(yīng)體，它應(yīng)該是由雙中子星產(chǎn)生的，圖片來源：NASA/Dana Berry（Skyworks Digital）
目前，LIGO的發(fā)言人David Shoemaker并沒有否認(rèn)這個(gè)謠言，或者說沒有否認(rèn)在數(shù)據(jù)中存在有與以往看到的信息不同的可能性。他表示，“一次非常令人興奮的觀測運(yùn)行即將在8月25日結(jié)束。我們期待屆時(shí)舉行一次高規(guī)格的發(fā)布會(huì)”。而在8月25日，LIGO-VIRGO合作發(fā)布了其最高級(jí)別的更新并表示，“在我們的初步分析中，一些有希望的引力波候選體已經(jīng)從LIGO和VIRGO的數(shù)據(jù)中得到了確認(rèn)，我們也分享了我們目前已知的天文觀測伙伴的信息。我們正在努力確保候選體是有效的引力波事件，也需要時(shí)間來確定為科學(xué)界和更大的公眾帶來任何結(jié)果所需的信心。一旦我們準(zhǔn)備好，我們就會(huì)讓你們知道”[4]。
? 在“坊間傳聞”公布的四天后（8月22日），哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到一個(gè)雙中子星合并候選體。這可能是一個(gè)所推測的電磁波信號(hào)的位置嗎？（圖片來源：Digitized Sky Survey / STScI）
正如福布斯報(bào)道所提到的，我們正處在歷史上一個(gè)令人難以置信的時(shí)刻：引力波天文學(xué)觀測科學(xué)誕生之時(shí)。未來幾十年將揭示一系列“第一次”，這些應(yīng)包括第一次雙中子星合并，第一次定位引力波源，以及第一次關(guān)聯(lián)引力波與電磁信號(hào)。這也將是繼雙黑洞引力波之后，天文界又一次轟動(dòng)性的發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在所有人的目光都聚焦在LIGO身上，等待其官方公布的結(jié)果，究竟是確認(rèn)還是辟謠了！
就此次事件，《知識(shí)分子》聯(lián)系到了中科院引力波先導(dǎo)電磁波對應(yīng)體的課題負(fù)責(zé)人之一、國家天文臺(tái)陸由俊研究員，請他對此次“傳聞”進(jìn)行評述：
《知識(shí)分子》：您認(rèn)為此次消息的可信度有多少？
陸由?。?/span>這是一個(gè)非常令人激動(dòng)的消息。據(jù)我了解，坊間流傳的aLIGO已探測到雙中子星并和事例的可信度很高，但還需要進(jìn)一步的確認(rèn)。
《知識(shí)分子》：這個(gè)事件如果是真的，它和之前的三個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件又有什么區(qū)別？
陸由?。?/span>雙中子星并合與黑洞并合引力波事件很不一樣，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
一、中子星質(zhì)量相對于已探測到的黑洞并合事件中的黑洞質(zhì)量要小10倍，甚至更多。相對于黑洞并合，雙中子星并合發(fā)射的引力波的幅度更小。
二、中子星并合引力波事件必然伴隨有高能電磁和中微子爆發(fā)等，而雙黑洞并合即使可能有電磁對應(yīng)體，也比較暗弱。
三、引力波天文臺(tái)的空間定位一般很不準(zhǔn)確，無法給出波源的宿主星系位置。而利用雙中子星并和的電磁對應(yīng)體信號(hào)等，可以很容易確定引力波源的空間位置和宿主星系。而雙黑洞并合引力波源還未發(fā)現(xiàn)有電磁對應(yīng)體，因而難以確認(rèn)波源的起源。
《知識(shí)分子》：之前引力波源的方向定位不準(zhǔn)，那么此次情況為何不同？
陸由?。?/span>據(jù)傳，在這個(gè)源的引力波被探測到的同時(shí)，空間高能衛(wèi)星也探測到了伽瑪暴，在時(shí)間和方向上與引力波源一致，從而可以較好地確定方位。
《知識(shí)分子》：據(jù)您所知，國內(nèi)的天文學(xué)家是否參與了引力波電磁對應(yīng)體的跟蹤觀測？
陸由?。?/span>是的。在去年2月LIGO首次公布引力波直接探測結(jié)果之后，中國科學(xué)院就組織布局了引力波研究的B類先導(dǎo)項(xiàng)目，力圖從多個(gè)方面在全波段范圍對引力波宇宙開展研究。在此項(xiàng)目支持下，國內(nèi)天文學(xué)家組織了全國性的引力波電磁對應(yīng)體的搜尋和跟蹤觀測網(wǎng)絡(luò)，并加入了aLIGO／VIRGO科學(xué)合作組，對aLIGO／VIRGO引力波天文臺(tái)預(yù)警的引力波源進(jìn)行快速的電磁對應(yīng)體搜尋。
就此次的引力波時(shí)間而言，如果它確實(shí)如文中所述發(fā)生在NGC4993星系，它的位置在南天（緯度：-23度），而中國境內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡都在北天，所以很難參加觀測。
《知識(shí)分子》：從此次事件來看，雙中子星并和與雙黑洞并和事件的相對數(shù)目是多少？
陸由?。?/span>因?yàn)橹凶有遣⒑彤a(chǎn)生的引力波相對較弱，aLIGO只能探測發(fā)生在離我們較近的和較小的一個(gè)體積范圍內(nèi)的事件。從這個(gè)事例和已探測到的幾個(gè)黑洞并和事件來看，中子星并和事件發(fā)生率可能比雙黑洞并和事件要高一個(gè)量級(jí)，這比理論預(yù)期的可能要高幾倍。
《知識(shí)分子》：天文學(xué)家能從中子星并和產(chǎn)生的引力波事件學(xué)到哪些新物理？
陸由俊：中子星并和發(fā)射的引力波信號(hào)與中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物態(tài)有關(guān)，結(jié)合引力波信號(hào)、電磁和中微子等多信使觀測，可以揭示中子星的結(jié)構(gòu)和物態(tài)，限定中子星的半徑和質(zhì)量上限等，解決長久以來的中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物態(tài)不確定這一問題。
同時(shí)，中子星并合可產(chǎn)生短伽瑪暴，利用包括引力波的多信使觀測可以揭示短伽瑪暴的中心能源機(jī)制。另外，中子星并和的引力波輻射和電磁信號(hào)提供了一個(gè)嶄新的探測宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)汽笛，籍此可以探測暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)。
參考文獻(xiàn)：
[1,2] Beyond Black Holes: Could LIGO Have Detected Merging Neutron Stars For The First Time? Forbes, August 23th. (https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/08/23/beyond-black-holes-could-ligo-have-detected-merging-neutron-stars-for-the-first-time/#241e2746fbdd)
[3,4] Rumours swell over new kind of gravitational-wave sighting, Davide Castelvecchi, Nature. (http://www.nature.com/news/rumours-swell-over-new-kind-of-gravitational-wave-sighting-1.22482)
（注：特此鳴謝中國國家天文臺(tái)茍利軍、董艷婷對本文的支持。）
