举世关注的明晚引力波大新闻, 有剧透! | 引力波天文学之九 | 自由微信

举世关注的明晚引力波大新闻, 有剧透! | 引力波天文学之九

原创 2017-10-15 俞云伟 知社学术圈

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据说明晚又有引力波大新闻，LIGO和世界各大天文台一起！发布会将在美东时间16日10点在华盛顿DC召开，清华大学也会随即召开引力波成果发布会。中外媒体已经迫不及待了，纷纷作出各种猜测。

不过这事知社早已做了布局！ 什么样的大新闻，能够让知社从10月5号开始，连发引力波天文学系列文章十篇？？？ 您要知道的剧透，都在这里，还有圈内人为此所下的赌注，陈年苏格兰威士忌一瓶，以纪念LIGO创始人之一的Ronald Drever教授。

不过要想真正亲密接触这个引力波大新闻，不妨期待明天权威核心人士的深度解读和大量花边。。。爱因斯坦都不敢相信。。。

文末有清华大学引力波成果发布会入场券。

引力波多信使时代：黎明的前夜｜引力波天文学之九

俞云伟

近日，LIGO、欧洲南方天文台、我国紫金山天文台等机构纷纷发出预告，将于10月16日在全世界同步召开新闻发布会、宣布重大天文发现，大造山雨欲来风满楼之势。此番情形莫不使人想起，前不久一则有关“发现了一种新型引力波信号”的“极为可信的坊间传闻”在互联网上迅速传播扩散，并经《Nature》报道[1]，在天文界引起了一阵不小的骚动。犹记2015至2016年之交，引力波探测的首次实现，在科学界乃至整个社会上造成了极大的轰动，令人印象深刻。这一事件验证了爱因斯坦百年前的理论预言、完成了广义相对论的完整架构，并毫无悬念地摘取了2017年的诺贝尔物理学奖。对于大多数人而言，这或许意味着一个历史故事完美终结了。那么在此之际，究竟还有何种重要的引力波发现能够令天文学家们再次激动不已？

特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。

1、天文学家的期待

引力波探测的实现，对于天文学家而言，与其说是一项世纪任务的完成，不如说更是一个新的时代的开启，因为我们将能够使用一种全新的手段去探索宇宙天体的奥秘。

但是，严格说来，迄今为止要完全发挥引力波的工具作用客观上一直存在着较大的困难，困难在于没有相应的电磁波观测。虽然引力波探测常常能够剑指天体核心，但天体最丰富的物理性质包括它们的环境性质仍然要通过电磁辐射表现出来。因此，只有实现了引力波和电磁波的双剑合璧，两者相互映照，才能为引力波源的天体性质提供交叉限制并充分发挥引力波在天文学研究中的重要作用。这其中，电磁对应体对于引力波而言，它还是一个定位神器，因为电磁波信号往往具有比引力波信号好得多的空间分辨率。

然而，迄今所报道的四个引力波源均为双黑洞并合事件，原则上并没有多少电磁辐射值得期待（尽管这也有待将来的检验），这不能说不是一个遗憾。所以，长期以来，天文学家更加期待的是探测到来自中子星-中子星或中子星-黑洞并合事件的引力波辐射，因为这些过程中会有少量物质向外抛射（图1），从而发出多种电磁辐射（图2）。

图1 双中子星并合过程中的物质抛射和喷流形成数值模拟[2]

图2 双中子星并合后发出短伽玛暴和巨新星辐射的示意图

2、短伽玛射线暴

与以上期待高度关联的一个事情是，持续时间小于2秒的短时标伽玛射线暴（short gamma-ray burst）被普遍认为可能起源于中子星-中子星或中子星-黑洞的并合[3,4]。因此，人们不仅期待探测到与中子星并合相关的引力波事件，还更期待引力波和短伽玛暴的成协观测。一旦实现，天文学就算是真正跨进了多信使研究（即电磁波、引力波、中微子、宇宙线等多种观测手段相结合的天文研究）的新时代，更将确凿无疑地解决短伽玛暴起源这一几十年来悬而未决的天文难题。

不过，短伽玛暴的辐射被普遍认为发自于一个处于高度相对论性运动的喷流（图1、图2），因而辐射具有高度的方向性，只有当其以较小的概率指向地球时才能被看到。比如，对于较为典型的10度喷流半张角，辐射指向地球的概率仅为1.5%。据现有观测样本计算，短伽玛暴的本地观测事件率约为4Gpc-3yr-1[5]。而与此同时，因为中子星的质量存在上限，中子星并合所发出的引力波幅度也要比双黑洞并合小得多。所以，估计即使在aLIGO达到最佳探测能力的情况下（2020年左右），也只能探测到约200—400Mpc（约6-12亿光年）距离以内的中子星并合事件[6]，这一距离在宇宙学尺度上看并不显得很大。因此，人们原先预计，引力波和短伽玛暴成协观测的机会并不大，需要几年后才能达到每年看到0.1—1次的水平。当然，这个概率对于科学研究而言，其实也是很值得期待的。如果考虑到短伽玛暴的光度下限可能低于目前的估计值以及如果每个短伽玛暴都有更大张角的延展辐射的话，观测机会还会适当提高。

在伽玛暴研究领域，我国天文学家在已故陆埮先生的引领下，从上世纪90年代开始，在中心能源机制、余辉辐射机制、宇宙学应用等诸多方面取得了一系列具有重要国际影响力的研究成果。其中针对短伽玛暴，南京大学和紫金山天文台的研究团队通过分析它们的余辉耀发和平台辐射，在国际上率先提出了双中子星并合可能形成大质量中子星的观点[7,8]，有望获得引力波探测的检验。

图3 短伽玛暴GRB 130603B的多波段余辉和可能的巨新星辐射信号[11,12]

3、巨新星

除短伽玛暴之外，另一种备受瞩目的引力波电磁对应体是巨新星或称千倍新星（macronova/kilonova）。当两个致密天体在相互旋近和并合时，由于潮汐和吸积盘风等作用，有大约千分之一到百分之一太阳质量的物质会被高速抛射出来，并具有近似各向同性（见图1）。这些富中子化的抛射物质将能够通过快中子俘获过程有效合成大量重元素（质量数A>130），是宇宙中合成超重元素的大熔炉。这些重元素的衰变进而将加热抛射物使其发出明亮的可见光及近红外辐射[9]。这一天文现象的理论构想最早由普林斯顿大学的李立新（现为北京大学教授）和Bohdan Paczyński在1998年提出[10]。这是一种非常特殊的天文现象，目前仅有少量疑似观测。首例可能的候选体由哈勃望远镜在2013年6月从短伽玛暴GRB 130603B的余辉观测中发现[11,12]（图3），之后我国紫金山天文台的研究团队又从短伽玛暴的历史数据中发现了两例可能的事例[13,14]。

巨新星辐射还可能受到并合产物的影响，特别是对于双中子星的并合，并合后的产物有可能是一颗处于极限旋转状态的大质量中子星。基于此，华中师范大学研究小组和美国内华达大学拉斯维加斯分校研 39 33599 39 13306 0 0 6543 0 0:00:05 0:00:02 0:00:03 6545究小组一起提出了由新生中子星供能的并合新星（mergernova）概念，即新生中子星通过自转能损为并合抛射物注入可能远超过放射性的能量，从而可使巨新星辐射显著增强[15,16]。北京师范大学研究小组进而在短伽玛暴的余辉数据中寻找到了一些可能的并合新星候选体[17,18]。最近，厦门大学研究小组还探讨了黑洞中心能源对巨新星辐射的可能影响[19]。

一言以蔽之，一旦引力波和巨新星成协观测获得成功，那将首先确证巨新星这一重要理论预言、揭示一种全新的天文现象，其次将为解决宇宙中重元素的起源问题奠定基础，再次将为中子星的内部物态提供强烈限制，最后还可通过巨新星的红移测定解除若干引力波参数的简并，发挥一箭四雕的作用。

4、传言之下

对于满怀着美好憧憬的天文学家而言，任何有关中子星并合引力波探测的风吹草动，都无不牵动着他们敏感的神经。前不久的传言中，不仅是LIGO首次探测到了双中子星并合的引力波，居然还同时由Fermi卫星看到了与之成协的短伽玛暴，甚至还有多架望远镜看到了巨新星。可以说，在这个传言中，天文学家所期待的所有美好的愿望都在瞬间实现了，这个消息完美得超乎想象，怎能不令人心潮澎湃。而今，伴随着国际各大天文机构的频频动作，传言成真似乎呼之欲出。

当然，也许天文学家们并没有多少时间可以沉浸在这种美好的幸福当中，因为这种幸福显然也带来了新的困惑、挑战以及机遇。一方面，这么完美的观测似乎来得太快太突然了，这本身就是一个需要严肃对待的问题。LIGO这么快在近距离上探测到双中子星并合，就意味着中子星并合的事件率可能比原先最乐观的估计还要高。而在这个距离上看到短伽玛暴，更是一个大大的意外。这些将迫使重新审视对短伽玛暴爆发率、光度函数、辐射角度分布等的原有认识。不过，另一方面，如果传言属实，倒也给了天文学家极大的信心和勇气去监测、捕捉更多的引力波电磁对应体，这将是一大片有待开发的富饶的新天地。最后，针对巨新星的观测，因为距离近，也将比以往看到的任何一次疑似观测都要丰富得多得多，值得天文学家们忙活好一阵了。

5、展望

2016年以来，我国天文和物理学界在低频引力波探测和引力波电磁对应体监测方面均做出了快速的反应，提出了多项研究计划，这无疑是极为正确的方向。有人说，既然引力波和它的电磁对应体都已经被发现了，那我们还有什么必要去继续研究呢？这其中的道理是浅显的，因为我们不会因为曾经听见过一次声音就堵上耳朵，不会因为曾经看见过一次光芒就闭上眼睛。恰恰相反，正是因为我们听过、看过了，我们才知道这是一条行之有效的道路，才更有信心沿着这条道路去揭示自然界更多的曼妙风景。

也许曾经错过了很多风景，但在引力波电磁对应体这个方向，我国天文学家其实自始至终都与国际同行们并肩战斗着，并在多个方面做出了重要贡献，因而有理由认为我们可以成为这一次天文浪潮的弄潮儿。但是，无论如何，天文研究的竞争，归根结底是观测能力的竞争。近年来，我国逐渐开始对伽玛暴观测进行投入。前不久刚发射的“慧眼”硬X射线空间望远镜，已将伽玛暴列为了重要观测对象。而专门的伽玛暴空间天文台SVOM也处于建设之中，有望接替美国的Swift卫星开展伽玛暴多波段观测。当然，我们更加期待像爱因斯坦探针（EP）、引力波高能电磁对应体全天监测器（GECAM）、天格计划这样专门的电磁对应体探测项目能够顺利快速实施，并也希望能够在巨新星等光学观测上（如南极望远镜等）部署更多的力量。

无论如何，一旦此次有关中子星并合引力波探测的消息尘埃落定，那么也就意味着很可能会有第二次、第三次⋯，那么一场激烈的“电磁对应体研究竞赛”势将随之展开。长风破浪会有时，直挂云帆济沧海，相信我国天文学家终能够在这场天文盛宴中占有一席之地。最后，至于传言是否终能成真，答案也许不远了，也许我们正处在引力波多信使时代的黎明前夜，让我们拭目以待吧。

6、致谢

感谢戴子高、高鹤、范锡龙、熊少林的有益讨论。感谢国家基础研究项目（编号：2014CB845800）的资助。

作者简介

俞云伟，华中师范大学物理科学与技术学院教授、博士生导师。2009年华中师范大学获得博士学位，之后曾在香港大学从事博士后工作。主要关注中子星、伽玛射线暴、引力波、快速射电暴、超新星等高能天体物理现象，发表论文40余篇。致力于这些爆发现象的能源机制和辐射机制研究、统计分析和应用，利用伽玛暴余辉和超亮超新星研究了新生中子星的物理性质（包括寻找奇异夸克星候选体），并提出了中子星供能的并合新星概念。

参考文献

[1] http://www.nature.com/news/rumours-swell-over-new-kind-of-gravitational-wave-sighting-1.22482

[2] Copyright: L. Rezzolla (AEI) & M. Koppitz (AEI /ZIB)

[3] Paczynski, B. 1986, ApJ, 308, L43

[4] Eichler, D., Livio, M., Piran, T., & Schramm, D. N. 1989, Nature, 340, 126

[5] Wanderman, D., &Piran, T. 2015, MNRAS, 448, 3026

[6] Abbott et al. 2016, Living Reviews in Relativity, 19, 1

[7] Dai, Z. G., Wang, X. Y., Wu, X. F., & Zhang, B. 2006, Sci, 311, 1127

[8] Fan, Y. Z., &Xu, D. 2006, MNRAS, 372, L19

[9] Metzger, B. D., Martinez-Pinedo, G., Darbha, S., et al. 2010, MNRAS, 406, 2650

[10] Li, L. X., &Paczyński, B. 1998, ApJL, 507, L59

[11] Tanvir, N. R., Levan, A. J., Fruchter, A. S., et al. 2013, Natur, 500, 547