中子星“大碰撞”开启多信使天文学

全球70多个天文台站先后观测到了一对中子星碰撞与合并的事件，几年时间过去了，全球天文学家依旧回味新的发现所带来的内心激荡和惊奇感受，多信使天文学和物理学的时代缓缓开启。2017年8月17日清晨，费米伽玛射线望远镜的伽玛射线暴监测团队的成员被一阵阵监视器发出的警报声吵醒，非常强的接收信号意味着在太空某处发生了一起伽玛射线暴的天文事件，仅过了2秒钟，位于美国和欧洲的三处激光干涉仪引力波观测台就接收到了引力波信号。全球的70多个天文观测台“唤醒”了信息分享系统，天文台站先后投入了对中子星碰撞事件的观测。

天文台的观测人员测定了事件发生的方位和距离，从星系NGC4993内同时发出了电磁波和引力波。死亡恒星的坍缩形成了中子星，两颗中子星的碰撞事件验证了现有中子星的理论模型，昭示了一个新的天文学和天体物理学时代的到来，除了传统天文学的光学观测手段以外，引力波的发现为天文学研究打开了一扇新的窗口，引力波的观测手段弥补了光波观测的不足，在“伽利略望远镜”的基础上，现代天文观测手段 获得了大的飞跃，引力波天文学对人们理解宇宙的基本问题十分重要。

从中子星的碰撞发出了电磁辐射信号和与中子星对应的引力波信号，经过了大约一周时间，三个引力波观测台停止了运行，观测仪器按计划进行了维护和升级，在2019年的早期重新投入了运行。“8·17引力波”对应了射电波和X—射线信号，一年之后信号进入了消减的最后阶段。天文学家将引力波形象地比喻为时空纤维的海洋涟漪，在物体运动发生了速度的变化时，任何带有质量的物体都会产生引力波，或者说一个带有引力作用的物体在时空的周围激发了引力波，当两个质量巨大的中子星发生了碰撞与合并时，剧烈的速度变化激发了引力波的强力释放。

“8·17引力波”事件的波源与地球的距离为1.3亿光年，引力波的巨大强度足以使它穿越了重重阻挡的星际物质，最终到达了地球的引力波观测台。国际标准时间2017年8月17日12时41分，位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿的两个激光干涉仪引力波观测台几乎同时记录了以往从未遇到的引力波信号，以往记录的几次引力波信号持续了几秒时间，此次记录的引力波信号则持续了100多秒时间，除了美国的两台LIGO引力波观测台，意大利比萨的Virgo引力波探测器也同时记录了此次引力波信号，从三个方向接收到的引力波信号帮助科学家锁定了引力波的信号源。

天文学家使用伽玛射线望远镜和光学望远镜对“8·17引力波”事件进行了观测，然后使用射电望远镜和X——射线望远镜对引力波事件进行了后续观测，其中包括了位于新墨西哥州的非常大型射电望远镜阵列和钱德拉X——射线太空望远镜，在引力波事件发生后的200多天，射电和X——射线信号的增长依然十分强烈，信号强度逐渐减弱。两颗中子星的合并过程表现了复杂性，天文学家使用了多信使的天文信号，拼合成了一幅完整的事件图谱，对中子星的合并事件有了更为精确的认识，经过分析的观测数据验证了一个“巨超新星”的理论模型。

哥伦比亚大学的天文学教授布莱恩·梅茨格在2010年提出了巨超新星或超巨新星（Kilonova）的概念和天文术语，天文学的词语汇编收入了“千超新星”一词，它是一种十分明亮的超新星，亮度达到了普通超新星的1000倍，在千超新星或巨超新星内发生了核聚变反应，出现了一种被天体物理学家称为快速中子捕获的过程或r过程，宇宙中的一些重元素——诸如金、白金和银从巨超新星的核合成中产生，重元素物质在宇宙中不算稀有，但在地球上十分稀缺，富贵的人士有穿金戴银的特殊嗜好。中子星在碰撞与合并的过程中或者变成了一个质量更大的中子星，或者共同塌缩为一个物质似乎消失的黑洞。

天体物理学家通过对中子星碰撞事件的观测验证了理论模型的预期，利用观测数据计算了衡量宇宙膨胀的最重要指标——哈勃参数或哈勃常数。科研人员通过对“8·17引力波”事件的解读发表了800多篇论文，中子星的研究成果为研究人员赢得了一系列的科学大奖和科研经费，2017年的物理学诺贝尔奖授予了对引力波发现有重要贡献的三位物理学家。论文和奖励不重要，重要的是引力波的发现带来了一个直接结果，天文学和天体物理学开启了一个新的出发点。

几个世纪以来，科学家只是通过电磁波的方式接收太空的信息，现在有了观测和认识宇宙的新方式，使用引力波信号描绘一幅全新的宇宙图像。LIGO和Virgo的两支引力波搜索团队在2019年的早期启动了一轮探测计划，科学家预计每年发现大约10个中子星碰撞的事件，以往的观测方式做不到这点，科学团队重新设置了自动化的数据处理系统，用于大数据的收集和分析，在引力波物理学领域有广泛的国际科学合作与交流活动，全球的数千位科学家参与了引力波项目的探测，共同的目标和共同的兴趣使得全球科学家将引力波探测推向了科学的前沿。

引力波的探测活动还在继续，天文学家希望找到典型的中子星相互碰撞事件，甚至发现中子星与黑洞的碰撞事件，他们提出了一个令人感兴趣的问题：当中子星遭遇黑洞时，中子星是跌入黑洞，还是被撕裂得粉碎？好似有科学网友发问：当有人掉进黑洞时，身体是跌入黑洞并朝黑洞的中心一路畅游，还是被黑洞的潮汐引力撕得粉碎？天体物理学家认为，见证中子星和黑洞的碰撞事件是可能的，黑洞的视界是中子星和人的身体进入黑洞区域时的一个不可折返点，越过了黑洞视界，强大的中子星和微弱的身体都将有去无回。

天文学家期待通过中子星的碰撞事件观测喷流奇观，喷流是天体释放的强大束流，假如遥远太空的强烈喷流指向了地球，那么天文学家有机会捕获喷流的信号。“8·17引力波”事件产生了喷流，从中子星碰撞产生的喷流和地球构成了一个夹角，夹角为零时，喷流指向了地球，遥远的喷流显得更为明亮，天文学家将在数个月或数年的时间观测喷流强度的变化。科学家制定了对中子星和黑洞碰撞产生喷流现象进行观测的计划，拟定发射一个灵敏度最高的X—射线和伽玛射线探测器。政府投入了大量的研究经费，不是出于满足科学家好奇心的需要，而是科学探索的过程和结果往往带来了未知的实用技术。新的探索领域和探测手段激发了青年科学家的热情，对宇宙奥秘的探索影响了人类的未来。

（编译：2021-8-25）

https://weibo.com/6320497409