南極巡天望遠鏡團隊自述：來自中子星并合的引力波
?南極巡天望遠鏡 AST3-1（左）， AST3-2（右） 安裝在南極冰穹 A（2016 年 1 月）。
撰文 | 胡 鐳 等
責編 | 陳曉雪
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科學背景
引力波是一種不同尋常的波動。簡單來說，引力波是當物質(zhì)的分布隨時間發(fā)生變化時產(chǎn)生的“時空漣漪”。波一般人都很熟悉，一塊石頭被丟進水里在湖面上會產(chǎn)生的波紋。但時空的波動和物質(zhì)的波動確有根本區(qū)別。當引力波從宇宙深處傳到地球表面的時候，地球上所有的物質(zhì)都會隨之波動，不管重如泰山或輕如鴻毛都會一起隨引力波波動。不僅如此，所有的時鐘無論多么精確都會相應地時快時慢。
1916年，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其它預言如光線在引力場中彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲觀測驗證，唯有引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖” 。根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)“告訴”時空怎樣彎曲，而時空“告訴”物質(zhì)如何運動。當物質(zhì)的分布隨時間而變化時，就有可能產(chǎn)生引力波這種“時空漣漪”。宇宙中每時每刻都充滿著時空漣漪，波長（頻率）和幅度各不相同。不過，這些時空漣漪的幅度非常小，只有那些發(fā)生急劇變化的天體，才能夠輻射有可能被現(xiàn)有科學技術設備探測得到的引力波。這些天體，包括了黑洞、中子星等極端致密星構成的雙星系統(tǒng)，它們因為不停的輻射引力波而損失能量，相互間距離就越來越近， 最后發(fā)生相互碰撞而并合成一個更大質(zhì)量的黑洞。致密雙星在并合前輻射的引力波能量雖然很大，但在時空本身所引起的漣漪卻非常小，目前的技術尚無法直接探測。
1993 年諾貝爾物理學獎授予泰勒和赫爾斯，就是因為他們自 1974 年起的 30 年時間里對脈沖雙星 PSR1913+16 做了持續(xù)觀測，觀測結(jié)果精確地按廣義相對論所預測的那樣半長軸每年縮短 3.5 米，間接驗證了引力波的存在。
2016年2 月11，美國地基先進激光干涉引力波天文臺(advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory， aLIGO)宣布探測到來自雙黑洞并合的引力波輻射，一舉證實了廣義相對論給出的黑洞和引力波兩大預言。2017年10月諾貝爾物理學獎授予LIGO的三位奠基者，Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne。引力波的直接探測，從實驗上加深了人類對宇宙和時空的了解，是人類科學史上的一個重要里程碑。
引力波發(fā)現(xiàn)的重要和深遠的意義，還在于它開啟了人類探索宇宙和天體的起源、結(jié)構和演化的一個新窗口。對于天文學家來說，研究宇宙和天體的信息載體從電磁波延伸到了引力波，它們與諸多中微子、宇宙線探測設備相結(jié)合， 帶領人類進入多信使天文學的新時代。
然而，引力波信號微弱，探測的難度非常大。特別是，目前LIGO對引力波源空間方位的定位精度不高。例如，第一例引力波源GW150914，LIGO的空間方位誤差達到600平方度，相當于2700個太陽密密麻麻排列在天空所占的天區(qū)大小。當然，隨著地球上其它引力波探測器的聯(lián)合探測，引力波源的空間定位精度將得到顯著改進。這和利用3顆以上GPS導航衛(wèi)星達到精確導航的原理差不多。未來美國LIGO、意大利VIRGO以及日本、印度等其它引力波探測器的聯(lián)合探測，引力波源的空間定位精度預期將提高到約10平方度，能夠很大程度上提高發(fā)現(xiàn)引力波源在傳統(tǒng)電磁波段的伴隨信號（電磁對應體） 的機會。
引力波探測結(jié)合傳統(tǒng)的電磁輻射（從伽瑪射線、 X 射線，到光學、紅外直至射電） 探測，既可以檢驗現(xiàn)代物理的一些基本假設，也可以研究黑洞、中子星等極端致密天體的性質(zhì)，將極大地提高引力波事件的科學價值。首先， 電磁輻射對應體的探測，可以精確且獨立測定引力波事件的空間方位，并且通過發(fā)現(xiàn)引力波源及其電磁對應體的宿主星系。其次，宿主星系的紅移結(jié)合引力波信號本身計算得到的距離，可以對宇宙學主要參數(shù)，特別是哈勃常數(shù)進行高精度測量。第三，電磁輻射易于探測，并攜帶了很多與引力波信號互補性的信息，因此它能幫助科學家全面了解中子星并合的物理過程，并深入研究極端引力、極端密度等條件下的物理規(guī)律。
中子星并合和GW170817
中子星并合（雙中子星并合、中子星-恒星級質(zhì)量黑洞并合）過程中產(chǎn)生強烈的引力波輻射，是 LIGO/VIRGO 等探測器的主要觀測對象，也是天文學家最關注的引力波電磁對應體的目標源。中子星雙星并合過程中不僅會發(fā)射出強引力波輻射，還會拋射出一些高速運動的物質(zhì)。這些物質(zhì)內(nèi)部作用或與中子星外部的星際介質(zhì)相互作用，可能產(chǎn)生伽瑪射線、X 射線、紫外、光學以及射電等輻射。
目前爆發(fā)時標短于2秒的伽瑪暴，普遍認為起源于中子星雙星并合事件。中子星并合的過程中向太空中拋射出大量的富含中子的物質(zhì)，這些物質(zhì)通過快中子俘獲過程產(chǎn)生重元素甚至是宇宙中最重的元素，這些不穩(wěn)定的重元素隨之衰變進而加熱外流體，產(chǎn)生為期約 1 到 2 周的光學、紅外爆發(fā)。這個現(xiàn)象由我國學者李立新教授與已故的普林斯頓大學 Bohdan Paczynski 教授在 1998 年首先提出， 目前這類現(xiàn)象被命名為“巨新星”（macronova）或者“千新星” （kilonova） ，因為這類現(xiàn)象比通常的新星要亮一千倍，但比超新星則暗一百倍。 因此，中子星雙星并合產(chǎn)生的引力波事件， 在光學、 紅外波段最具探測前景。
2017年8月17日LIGO和VIRGO共同探測到的引力波事件GW170817，是人類首次直接探測到的雙中子星并合產(chǎn)生的引力波事件。在引力波并合信號發(fā)生后的1.7秒，美國宇航局的Fermi 伽瑪射線衛(wèi)星和歐洲的INTEGRAL 衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標伽瑪暴，被命名為GRB170817A。Fermi衛(wèi)星對該伽瑪暴的觸發(fā)時間為世界標準時間當天的12 時41分06.47秒（北京時間當天晚上20時41分）。這是人類首次將電磁波信號與引力波信號毫無疑義的聯(lián)系在了一起。
最后，引力波和電磁信號的同時探測，可以揭示宇宙超鐵元素的起源、高精度測量引力波的速度以及檢驗愛因斯坦等效原理。 特別值得一提的是，宇宙中比鐵更重的元素的起源是21世紀宇宙物理學領域11個重大科學問題之一。
GW170817的重要意義
自愛因斯坦預言引力波到現(xiàn)在，101年過去了。引力波的探測于今年剛剛獲得諾貝爾物理獎，在享受此一喜訊所帶來的榮譽的同時，LIGO／VIRGO團隊及其每一個合作成員， 也同時在致力于GW170817的研究，并以此為標志正式開啟了包括引力波在內(nèi)的包括引力波、中微子、電磁波、宇宙線等多種手段聯(lián)合探索宇宙的嶄新時代。這一里程碑式的事件，將是天文學的一場意義深遠的革命，而且如同歷史上每一次天文學革命一樣，它也必將成為人類文明的標志性事件。
這里需要說明一下LIGO的引力波探測技術已經(jīng)達到了多么令人震驚的水平。 前面說過，引力波是時空漣漪。探測引力波需要探測到時空的抖動。這個抖動非常非常微小。LIGO的探測器可以探測到驚人的質(zhì)子直徑萬分之一的細微變化。地球上一個極其微小的震動都有可能掩蓋引力波微弱的信號。LIGO／VIRGO可以成功剔除各種噪音，實現(xiàn)其宏偉的科學目標，這自然是人類科技文明的一個重大進步。
南極巡天望遠鏡觀測GW170817
a.測光觀測
全球有超過50臺天文設備對GW170817開展了精細觀測。南極巡天望遠鏡AST3 合作團隊利用正在南極運行的AST3-2也對GW170817開展了密集觀測。
AST3合作團隊也是深、寬場巡天（Deep Wide Field，簡稱 DWF）的合作團隊。雙方聯(lián)合利用幾乎澳大利亞所有望遠鏡以及歐洲南方天文臺的 8 米大口徑望遠鏡對 GW 170817 從光學到近紅外進行了觀測。 AST3 團隊由此獲得大量有關 GW170817 的重要數(shù)據(jù)。
AST3 望遠鏡位于南極大陸的最高點冰穹 A，其地理緯度為-80 度 22 分。GW170817 雖然位于南天區(qū)，但在天球上的赤緯為–23 度 22 分 53.350 秒，對 AST3來說卻是非常靠北面了。用 AST3 觀測 GW 170817，需要把望遠鏡指向距離地面只有 20 幾度的方向。 AST3 在歷年觀測中從來沒有指向過這么低的位置。為望遠鏡的安全考慮，我們所有觀測都要求在較高的赤緯方向觀測。 AST3 是全球首個在南極運行的全遙控望遠鏡，如果望遠鏡在觀測期間失控而卡在赤緯較低的方向，等到南極夏天就不可避免地會被太陽直射，損壞精心研制的精密設備。但GW 170817 如此之特殊， AST3 團隊在得到坐標位置后，本來非常謹慎的運行團隊幾乎在沒有任何異議的情況下，停止了所有其它的觀測計劃，立刻對 GW170817 開始了觀測。
此時的冰穹 A 漫長的極夜剛剛結(jié)束，就在此數(shù)天前我們剛得知望遠鏡旁的太陽能板已捕捉到了極夜后的第一縷陽光，這意味著南極最佳的觀測時間段實際上已經(jīng)過去。盡管在這樣極端的條件下，我們?nèi)匀徽J為這值得一試。 北京時間 8月 18 日夜晚 21:00，繁星再一次密布于冰穹 A 的上空（圖 1）， 而從南極傳回的圖像中我們也清晰的看到宿主星系 NGC 4993。得益于 AST3-2 穩(wěn)定的主軸和機械結(jié)構設計，在接下來約兩個半小時的窗口期內(nèi)，望遠鏡成功地對這片天區(qū)進行了連續(xù)不間斷的觀測，共采集了 21 張長曝光圖像，而正是這段時間的數(shù)據(jù)，讓我們最終探測到了第一例來自雙中子星合并的光學對應體信號。為了盡可能地記錄下對應體亮度隨時間的演化，我們的觀測一直持續(xù)到了 8 月 28 日。
?圖 1 ： AST3-2 在 8 月 18 日觀測窗口期內(nèi)目標地平高度 （<30 度） 的示意圖。
與觀測同步進行的還有數(shù)據(jù)的分析和處理。 由于南極獨特的地理位置，我們的圖像數(shù)據(jù)需要依靠速度緩慢的銥星衛(wèi)星進行傳輸，為了節(jié)省寶貴的時間和昂貴的通訊費用，必須遠程對存放在南極的大量數(shù)據(jù)進行及時的分析，然后將有效的數(shù)據(jù)傳回做進一步的處理。事實上，盡管我們已經(jīng)知道望遠鏡拍攝到了宿主星系，但卻很難直接地從單次曝光的圖像中，判斷出是否有來自光學對應體的信號，因此我們使用了圖像相減的方式來進行信號探測。這就如同我們難以發(fā)現(xiàn)一只停在路燈旁的螢火蟲一樣，而只有當我們關掉這盞燈時螢火蟲才能被看到。
經(jīng)過幾天的數(shù)據(jù)采集， 以及對緩慢的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却?紫金山天文臺南極天文中心的兩名研究生胡鐳、孫天瑞在國家天文臺的博士生馬斌和南京大學的博士生梁恩思同學的協(xié)作下，調(diào)試好了數(shù)據(jù)分析程序， 這盞“燈”成功地被我們關掉，8 月 18 日觀測圖像中的光學信號也終于浮出了水面（圖 2）， 而信號所在的天球坐標與 LIGO 合作組給出的雙中子星并合的位置完全吻合，其偏差小于一個角秒，自此我們也就確認了 AST3已經(jīng)成功探測到了來自 GW 170817 引力波事件的光學對應體。
?圖 2： AST3-2 在 8 月 18 日觀測窗口期內(nèi)引力波光學信號（紅色方框內(nèi)） 。
當胡鐳在微信里第一次告訴大家，AST3 已經(jīng)探測到 GW 170817 的光學信號時，整個 AST3 團隊都非常激動。AST3 望遠鏡登上天文觀測研究的大舞臺期待中的這一天終于來到了。
隨著數(shù)據(jù)進一步進行測光處理，我們很快測量出 AST3 在引力波信號之后的1 天左右的窗口期內(nèi)（即 18 日的觀測），目標的 i 波段星等由 17.23 星等降到了 17.72 星等。由于目標源的快速變暗，8 月 18 日之后的圖像中沒有再探測到信號，但也提供了兩個可靠的測光上限。
緊接著紫金山天文臺吳雪峰研究員與南京大學戴子高教授、博士生劉良端和肖笛博士開始嘗試利用千新星（kilonova） 的半解析模型擬合了 AST3 的觀測數(shù)據(jù)（圖 3） 。 通過計算， 我們發(fā)現(xiàn)這次雙中子星并合產(chǎn)生約 1%太陽質(zhì)量并以大約光速的 30%快速運動的拋射物，也可以說是拋出超過 3000 個地球質(zhì)量的富含中子的物質(zhì)，這些物質(zhì)通過快中子俘獲過程，核合成重元素，部分形成比鐵還重的超重元素。 AST3 的觀測數(shù)據(jù)與國際其它望遠鏡探測得到的數(shù)據(jù)一起， 對我們認識雙中子星并合的物理過程提供了非常重要的信息。
?圖 3： AST3-2 測光數(shù)據(jù)顯示的 GW 170817 光學對應體時間演化和千新星（kilonova） 半解析模型擬合結(jié)果。
b.與澳大利亞的合作觀測
我國天文學家和澳大利亞天文學家有著長期的、非常深入的合作。 AST3 望遠鏡本身就獲益于新南威爾士大學所提供的發(fā)電系統(tǒng)。在這次對 GW 170817 的觀測中，這個合作又發(fā)揮了巨大做用。 AST3 望遠鏡所獲得的數(shù)據(jù)恰好在 GW170817 光學對應體開始的下降階段。這對研究 kilonova 的物理性質(zhì)非常重要。
AST3 的數(shù)據(jù)與澳大利亞的測光與光譜數(shù)據(jù)結(jié)合，對 GW170817 的物理過程給出了非常重要的限制。雙方合作所寫的研究論文也將在今日發(fā)表。
南極巡天望遠鏡介紹
a.望遠鏡研制運行
南極巡天望遠鏡 AST3 是國際上首套可遠程遙控無人值守運行的南極光學望遠鏡（本文首圖），口徑 500/680mm，視場 4.3 平方度，包括 3 臺不同濾光片的望遠鏡，中科院南京天文光學技術研究所采用了創(chuàng)新設計的大視場折反式光學系統(tǒng)，既具有經(jīng)典施密特系統(tǒng)的優(yōu)良像質(zhì)，又具有鏡筒短，結(jié)構緊湊和消畸變及大氣色散校正等優(yōu)點。中科院國家天文臺團隊為 AST3 望遠鏡定制了具有高度冗余的運控和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括自動的巡天規(guī)劃和觀測、數(shù)據(jù)安全存儲和實時處理、以及自動報警和實施監(jiān)測等（http://aag.bao.ac.cn/klaws/， 圖 5），完全實現(xiàn)了 AST3 在南極冰穹 A 無人值守的全自動可靠運行，屬國際首創(chuàng)。
?圖 5 ： 南極巡天望遠鏡 AST3 的儀器設備實時監(jiān)控系統(tǒng)。
AST3 的研制和運行是跨學科成功合作的典范。在國家海洋局南極科考的大力支持下，項目主要參與單位包括中科院紫金山天文臺、中科院國家天文臺、中科院南京天文光學技術研究所、海洋局中國極地研究中心、天津師范大學、南京大學、清華大學、北京師范大學、天津大學、澳大利亞新南威爾士大學、英澳天文臺和斯威本科技大學。在南極天文近 10 年的發(fā)展中，項目也先后獲得了多方的經(jīng)費支持，包括國家自然科學基金委、中科院方向性重點、紫金山天文臺、國家天文臺、南京天文光學技術研究所、 清華大學、南京大學、北京師范大學以及科技部 973 項目。
?圖 6：第二臺南極巡天望遠鏡 AST3-2。
目前在運行的是第 2 臺南極巡天望遠鏡 AST3-2（圖 6），配置 i 波段濾光片，2017 年首次實現(xiàn)了望遠鏡無人值守的全年越冬觀測，國內(nèi)首次批量發(fā)現(xiàn)了系外行星的候選體，并成功觀測到引力波 GW170817 的光學對應體。參加望遠鏡運行的單位包括中科院國家天文臺 AST3 運控中心， 南京天文光學技術研究所課題組，紫金山天文臺南極天文中心和南京大學系外行星組。
b. 其他科學內(nèi)容： 高精度系外行星探測
太陽系外行星探測是目前國際上非常前沿的課題，其最終目標之一是在太陽系近鄰發(fā)現(xiàn)適合生命居住的宜居行星。由于行星自身輻射非常弱，離宿主恒星又非常近，系外行星的探測極其困難。1995 年瑞士日內(nèi)瓦 M. Mayor 團組和美國UC 伯克利大學 G. Marcy 團組宣布首次觀測到系外行星，由此揭開了系外行星發(fā)現(xiàn)的序幕。這兩位科學家也分享了 2005 年的邵逸夫天文學獎。
?圖 7. AST3-2 對 TESS 南天目標區(qū)域的掃描觀測。在這個 TESS 重點覆蓋天區(qū)內(nèi)， AST3-2 的測光精度達到了 0.001 星等，并找到了 100 余個太陽系外行星候選體。
2009 年 Kepler 衛(wèi)星上天，利用行星掩食宿主恒星產(chǎn)生的光變發(fā)現(xiàn)了近 4500顆左右的系外行星候選體（其中 2330 顆被后續(xù)證認），確定了里程碑式的成就，Kepler 衛(wèi)星的設計者 W. J. Boruchi 也獲得了 2015 年邵逸夫天文學獎。得益于南極冰穹最高點（Dome A 中國昆侖站）的優(yōu)秀測光條件以及得天獨厚的連續(xù)極夜環(huán)境，安裝在此的望遠鏡在搜尋行星掩食宿主恒星的光變信號方面具有獨特的優(yōu)勢。通過昆侖站的 CSTAR（口徑為 14.5 公分的中國之星望遠鏡陣列） 和 AST3-2望遠鏡在 2008、 2016 及 2017 年的觀測，以南京大學課題組為主， 中國南極天文合作團隊發(fā)現(xiàn)了 100 余顆高置信度的系外行星候選體，其中 6 顆基本被證認。這也是國際上首次在南極天區(qū)批量發(fā)現(xiàn)系外行星候選體。
對國家重大科技基礎設施南極昆侖站天文臺建設的意義南極巡天望遠鏡是國際上首套可遠程遙控無人值守運行的南極光學望遠鏡，2017 年 AST3-2 成功實現(xiàn)全年越冬觀測，表明面向南極內(nèi)陸極端環(huán)境下的光學望遠鏡研制關鍵技術取得了突破性進展， 同時在無人值守遙控運行方面也積累了成功經(jīng)驗。 正在研制的第 3 臺 AST3-3 望遠鏡還將觀測范圍拓展到近紅外波段，可以有效利用南極昆侖站地區(qū)紅外觀測的優(yōu)秀臺址條件，為我國開展近紅外波段時域巡天和系外行星探測研究提供了重要機遇，有望突破中國紅外天文觀測的瓶頸。
為充分利用昆侖站珍稀臺址資源，面向重大科學問題，由國家海洋局和中國科學院共同建議的南極昆侖站天文臺包含 2.5 米光學紅外望遠鏡和 5 米太赫茲望遠鏡兩臺天文觀測設備， 以及臺址設施、 能源通信與交通和運控等支撐系統(tǒng)。 南極巡天望遠鏡作為科學與技術上的先驅(qū)，其成功觀測為南極昆侖站天文臺建設提供了全面的技術儲備和人才基礎， 為我國在南極天文研究領域取得國際領先地位奠定了堅實基礎。
參與觀測及數(shù)據(jù)處理主要人員
紫金山天文臺：胡鐳 王力帆 吳雪峰 孫天瑞
南京大學：梁恩思 劉良瑞
國家天文臺：馬斌
南京天光所：袁祥巖 李曉燕 李正陽
注：本文系南極天文團隊各成員（單位）共同所著。
