“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，它們應該具有光學對應體，有可能成為引力空間和電磁天空關聯(lián)起來的第一類天體，圖片來源：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc。
整理 | 呂浩然
責編 | 徐 可
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去年2月，激光干涉儀重力波天文臺LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）首次實現(xiàn)了直接探測引力波，這一物理界的一個“圣杯”由愛因斯坦“設計”，一度被束之高閣長達百年之久。
然而，這其實并不是一個孤立的事件，因為那只是LIGO一直持續(xù)曝光的此類事件中的第一個，或者說，LIGO及其背后的科學家們并沒有將此作為最終的目標。就在LIGO已經(jīng)運行的這段時間里，至少三個比較強烈的信號已經(jīng)證明，遠在十億光年之外的兩個大質(zhì)量恒星級雙黑洞合并所產(chǎn)生的引力波的輻射，強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”震動學界，美國福布斯新聞網(wǎng)（Forbes.com）報道稱：繼去年2月LIGO的發(fā)現(xiàn)之后，科學家又面臨著新的可能性，在VIRGO（歐洲引力波天文臺）加入引力波探測之后，LIGO可能已經(jīng)進入到了下一個引力波現(xiàn)象的探測前沿：雙中子星合并。
之所以稱之為“坊間傳聞”是因為，與引力波探測器合作的科學家并不會對這些傳言發(fā)表評論，而應以分析之后的官方說法作準。而此次的信源則是一位天文學家的個人推特。
? 已知的LIGO雙黑洞系統(tǒng)（藍色），包括三個確認的和一個候選體。作為比較，中子星應該不超過3個太陽質(zhì)量，圖片來源：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)。
此次傳聞始于德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家J.Craig Wheeler。8月18日，他在推特上寫道:“新LIGO，帶有光學對應源。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，他可能也意識到了消息引起的轟動效應，并于23日上午進行了道歉，他寫道：“不論對錯，我都不應該發(fā)布那條推特。LIGO應該在他們認為合適的時間發(fā)布，我也應對此負責（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，這樣的探測則標志著天文學的一個新時代即將到來：在這個時代，傳統(tǒng)的望遠鏡都可以看到現(xiàn)象，也可以“聽到”在時空結構上的振動?！霸谖覀兊睦斫庵?，這將是一個不可思議的進步，”伊利諾伊大學厄巴納香檳分校（University of Illinois at Urbana）的天體物理學家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)射的引力波信號幅度較小，并且發(fā)生在一個較長的時間周期上。然而，與以前的合并相比，這個信號在更長的時間內(nèi)是可預測的：有可能是數(shù)秒、數(shù)分鐘，甚至數(shù)小時之久，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，因為雙中子星合并所產(chǎn)生的信號強度問題，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的設置，這個范圍遠比雙黑洞的要小，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，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，兩個致密中子星的合并應該會有光學對應體產(chǎn)生，這也與兩黑洞合并完全不同。
? 兩個中子星的旋進和合并應該產(chǎn)生非常特定的引力波信號，但合并的時刻也應該產(chǎn)生唯一和可識別的電磁輻射，圖片來源：NASA
此外，預測雙中子星合并發(fā)生的頻率是一項艱巨的任務。我們不知道存在有多少的雙黑洞，而引力波天文學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。為了有機會看到合并的中子星，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）
但事實可能就是這樣！如果我們不看就沒有成功的機會，只要引力波天文臺在運行，尋找中子星的任務便能一直進行下去。相關的模板計算也很容易（盡管計算量有些大），這也意味著如何從原始數(shù)據(jù)中提取信號才是我們所面臨的問題。當三個天文臺同時運行時，不僅LIGO/VIRGO會更加靈敏，而且還可以進行三角定位。如果這些事件中有一個發(fā)生了，我們將第一次有機會精確地確定該事件在空間中的位置。
? 在兩個中子星旋近和合并期間，應該會釋放巨大的能量，以及重元素、引力波和電磁波信號，圖片來源：NASA/JPL
所以，此次傳聞會不會成為雙中子星合并的第一個證據(jù)呢？雖然有科學家向《知識分子》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“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)生的電磁波信號應該是不可觀測的。如果存在一個電磁對應體，它應該是由雙中子星產(chǎn)生的，圖片來源：NASA/Dana Berry（Skyworks Digital）
目前，LIGO的發(fā)言人David Shoemaker并沒有否認這個謠言，或者說沒有否認在數(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行即將在8月25日結束。我們期待屆時舉行一次高規(guī)格的發(fā)布會”。而在8月25日，LIGO-VIRGO合作發(fā)布了其最高級別的更新并表示，“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，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，也需要時間來確定為科學界和更大的公眾帶來任何結果所需的信心。一旦我們準備好，我們就會讓你們知道”[4]。
? 在“坊間傳聞”公布的四天后（8月22日），哈勃望遠鏡觀察到一個雙中子星合并候選體。這可能是一個所推測的電磁波信號的位置嗎？（圖片來源：Digitized Sky Survey / STScI）
正如福布斯報道所提到的，我們正處在歷史上一個令人難以置信的時刻：引力波天文學觀測科學誕生之時。未來幾十年將揭示一系列“第一次”，這些應包括第一次雙中子星合并，第一次定位引力波源，以及第一次關聯(lián)引力波與電磁信號。這也將是繼雙黑洞引力波之后，天文界又一次轟動性的發(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果，究竟是確認還是辟謠了！
就此次事件，《知識分子》聯(lián)系到了中科院引力波先導電磁波對應體的課題負責人之一、國家天文臺陸由俊研究員，請他對此次“傳聞”進行評述：
《知識分子》：您認為此次消息的可信度有多少？
陸由?。?/span>這是一個非常令人激動的消息。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，但還需要進一步的確認。
《知識分子》：這個事件如果是真的，它和之前的三個黑洞并合產(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體，也比較暗弱。
三、引力波天文臺的空間定位一般很不準確，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體信號等，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)有電磁對應體，因而難以確認波源的起源。
《知識分子》：之前引力波源的方向定位不準，那么此次情況為何不同？
陸由?。?/span>據(jù)傳，在這個源的引力波被探測到的同時，空間高能衛(wèi)星也探測到了伽瑪暴，在時間和方向上與引力波源一致，從而可以較好地確定方位。
《知識分子》：據(jù)您所知，國內(nèi)的天文學家是否參與了引力波電磁對應體的跟蹤觀測？
陸由?。?/span>是的。在去年2月LIGO首次公布引力波直接探測結果之后，中國科學院就組織布局了引力波研究的B類先導項目，力圖從多個方面在全波段范圍對引力波宇宙開展研究。在此項目支持下，國內(nèi)天文學家組織了全國性的引力波電磁對應體的搜尋和跟蹤觀測網(wǎng)絡，并加入了aLIGO／VIRGO科學合作組，對aLIGO／VIRGO引力波天文臺預警的引力波源進行快速的電磁對應體搜尋。
就此次的引力波時間而言，如果它確實如文中所述發(fā)生在NGC4993星系，它的位置在南天（緯度：-23度），而中國境內(nèi)的望遠鏡都在北天，所以很難參加觀測。
《知識分子》：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>因為中子星并和產(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體積范圍內(nèi)的事件。從這個事例和已探測到的幾個黑洞并和事件來看，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量級，這比理論預期的可能要高幾倍。
《知識分子》：天文學家能從中子星并和產(chǎn)生的引力波事件學到哪些新物理？
陸由?。?/span>中子星并和發(fā)射的引力波信號與中子星的內(nèi)部結構及物態(tài)有關，結合引力波信號、電磁和中微子等多信使觀測，可以揭示中子星的結構和物態(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)部結構和物態(tài)不確定這一問題。
同時，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制。另外，中子星并和的引力波輻射和電磁信號提供了一個嶄新的探測宇宙演化的標準汽笛，籍此可以探測暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)。
參考文獻：
[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茍利軍、董艷婷對本文的支持。）
