首個雙中子星併合引力波事件被發現 中科院等國內機構捕獲重要信息

北京時間10月16日22點，美國國家科學基金會召開新聞發佈會，宣佈激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）于2017年8月17日首次發現雙中子星併合引力波事件，國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現了該引力波事件的電磁對應體。

極為重要的里程碑事件

今年8月17日，LIGO和Virgo共同探測到的引力波事件GW 170817，是人類首次直接探測到由兩顆中子星併合産生的引力波事件。隨後幾秒內，美國宇航局Fermi伽馬射線衛星和歐洲INTEGRAL衛星都探測到了一個極弱的短時標伽馬暴GRB 170817A。全球有幾十台天文設備對GW 170817開展了後隨觀測，確定這次的引力波事件發生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。

“本次發現的引力波事件跟以往發現的雙黑洞併合不同，它由兩顆中子星併合産生。理論預言雙中子星併合不僅能産生引力波，而且能産生電磁波，即引力波電磁對應體。”中科院高能所研究員熊少林説，“這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應體，是引力波天文學極為重要的里程碑，在天文學以及物理學發展史上具有劃時代的意義，正式開啟了多信使引力波天文學時代。”

據了解，引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論後的預言。引力場在極端天體物理過程中急劇變化，産生時空擾動並向外傳播，人們形象地稱之為“時空漣漪”。引力波的直接探測剛獲得2017年度諾貝爾物理學獎。

“慧眼”成功監測到爆發天區

我國第一顆空間硬X射線調製望遠鏡“慧眼”在引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區，對其伽馬射線電磁對應體（簡稱引力波閃）在高能區的輻射性質給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機製作出了重要貢獻，相關探測結果發表在報告此次歷史性發現的研究論文中。

因為該引力波事件具有極為重要的意義，天文學家使用了大量的地面和空間望遠鏡進行觀測，形成了一場天文學歷史上罕見的全球規模的聯合觀測。然而，引力波事件發生時僅有4台X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區，中國的“慧眼”望遠鏡便是其中之一。

在這些望遠鏡中，“慧眼”在0.2~5百萬電子伏特（MeV）能區的探測接收面積最大、時間分辨率最好，因此對引力波閃（一個編號為GRB 170817A的伽馬射線暴）MeV能區的伽馬射線輻射的探測能力最強。

“此前人們普遍預計，像本次事件這樣近距離的雙中子星併合産生的引力波閃將極為明亮，但本次引力波閃卻出乎意料的暗弱，特別是在MeV能區的輻射十分微弱，導致沒有望遠鏡（包括慧眼在內）在這個能區探測到引力波閃。”熊少林告訴《中國科學報》記者，“但‘慧眼’憑藉強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限。”

鋻於“慧眼”觀測限制的重要性，中國不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發現的論文，在論文的正文部分報告了觀測結果；而且，“慧眼”的詳細分析結果還以獨立論文的形式于10月16日同步發表在《中國科學：物理學力學天文學》雜誌英文版網頁。

值得注意的是，“慧眼”本來的設計目標是探測黑洞和中子星等銀河系內的X射線天體，研究極端引力場條件下的物理規律。項目組通過對“慧眼”輔助探測器的創新性使用，獲得了額外的探測伽馬暴及引力波電磁對應體的能力，使其成為國際上正在運行的最重要的伽馬射線暴監測設備之一，大大擴展了望遠鏡的科學産出。

科研人員透露，在“慧眼”望遠鏡的技術基礎之上，中科院高能物理所還提出了專門探測引力波閃的引力波高能電磁對應體全天監測器項目，並將其命名為“閃電”。“閃電”採用針對性優化設計，不僅能夠同時監測全天隨機爆發的引力波閃，而且具有更低的探測閾值、更高的監測靈敏度以及更好的定位能力，對引力波閃的綜合探測性能遠超現有望遠鏡。

目前，“閃電”的關鍵技術攻關以及方案設計的大部分工作已經完成。如果立即立項，可以在2020年前發射升空，從而趕上與具有最佳靈敏度的LIGO和Virgo等引力波探測器進行聯合觀測，獲得最大的科學産出，使我國在引力波電磁對應體的探測研究上達到國際領先水平。

“慧眼”望遠鏡由國家國防科技工業局和中科院聯合資助建造，于2017年6月15日從酒泉衛星發射中心發射升空，開始為期5個月的試運行。參與本次引力波事件觀測時，“慧眼”剛試運行兩個月。試運行結束後，“慧眼”將正式進行科學觀測，同時繼續監測研究引力波閃。

南極巡天望遠鏡獲得重要數據

與美國國家科學基金會召開新聞發佈會的同一時間，中國期刊《科學通報》英文版通過國際合作方愛思唯爾的全球發佈平臺，同步發佈由中科院紫金山天文臺聯合中外各個合作單位做出的最新觀測結果，相關研究論文于16日晚10時上線。

南極天文研究中心主任、中科院紫金山天文臺研究員王力帆介紹，自北京時間2017年8月18日21:10起，即距離引力波事件發生24小時後，中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第二台望遠鏡AST3-2，對引力波事件GW 170817開展了有效的觀測，此次觀測持續到8月28日，其間獲得了大量重要數據，並探測到此次引力波事件的光學信號。這些數據揭示了此次雙中子星併合拋射出約1%太陽質量（超過3000 個地球質量）的物質，這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發現，證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。

AST3-2是我國在崑崙站安裝的第二台南極巡天望遠鏡。其有效通光口徑50厘米，是南極現有最大的光學望遠鏡，完全實現了極端環境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進行超新星巡天、係外行星搜尋、引力波光學對應體探測等天文研究。

中國南極天文中心是由中科院紫金山天文臺、中科院南京天文光學技術研究所、國家海洋局中國極地研究中心、中科院國家天文臺發起和共建的研究機構，2006年12月25日在紫金山天文臺正式宣告成立，如今已成為推進我國南極天文學研究和國際合作與交流的平臺。

圖1：“慧眼”望遠鏡示意圖

圖2：雙中子星併合過程既能産生引力波，又能産生電磁波（圖片來自網絡）

圖3：第二台南極巡天望遠鏡AST3-2

圖4：AST3-2在8月18日觀測窗口期內引力波光學信號（紅色方框內）