揭開宇宙奧秘的“鑰匙”

王善欽 吳雪峰

英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金曾表示：“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。（人類）探測到引力波的這種能力，很有可能引發(fā)天文學革命?！庇纱丝梢姡Σㄌ綔y對于天文學家和物理學家而言，有著至關重要的意義。

首先，對引力波的研究可以加深物理學家對廣義相對論的理解。廣義相對論在對一些強引力天體系統(tǒng)的精確描述中，起到關鍵性的作用。在這些強引力系統(tǒng)中，牛頓力學不再適用，我們只能使用廣義相對論來研究它們。通過對引力波的研究，物理學家對廣義相對論的理解將更加深入。

其次，借助引力波，可以直接判斷某些天文現(xiàn)象的起源和本質。憑借天體輻射出的引力波，天文學家可以判斷天體內部的信息。我們知道，傳統(tǒng)天文學主要依賴電磁波觀測，通過伽瑪射線望遠鏡、X射線望遠鏡、紫外-可見光-紅外望遠鏡與射電望遠鏡等，觀測天體發(fā)出的各波段的電磁波，進而分析這些天體或者天體爆發(fā)現(xiàn)象的具體性質。但隨著科學研究的發(fā)展，此類方法已經(jīng)無法滿足研究的需要。電磁波大多是天體表面發(fā)出的，無法提供天體核心的信息。許多天體（如太陽與超新星）內部產生的電磁波本是伽瑪射線，但由于不斷被自身物質吸收和再發(fā)射，到達表面時的光基本上變?yōu)樽贤饩€、可見光與紅外線，因此電磁波無法用以直接研究并推斷天體內部的物理過程。

而引力波則截然不同，它是時空本身的波動，所以不會被物質吸收。從天體中心發(fā)出之后，它在往外傳播的整個過程中，始終保留其本來面目（只是強度隨著距離變大而減弱）。當天文學家探測到引力波時，得到的信息幾乎完全是天體核心的信息。這一優(yōu)勢是電磁波觀測無法具備的。

舉個例子，宇宙中有一種持續(xù)時間只有幾毫秒到幾千秒的伽瑪射線爆發(fā)現(xiàn)象，被稱為“伽瑪射線暴”，簡稱“伽瑪暴”。伽瑪暴又被分為兩大類，時間從幾毫秒到2秒的是短伽瑪暴;2秒以上的被稱為長伽瑪暴。此前天文學家一直推測短伽瑪暴是由中子星與中子星并合或者中子星與黑洞并合而產生的，但并沒有直接的觀測證據(jù)。在2017年8月17日，天文學家探測到引力波之后，很快就能夠判定它來自中子星與中子星的并合，而且在探測到引力波之后僅1.7秒，天文學家在同一方位發(fā)現(xiàn)一個持續(xù)時間約2秒的短伽瑪暴，分析表明它與該引力波起源相同。結合這些信息，天文學家首次直接證明：某些短伽瑪暴確實由中子星與中子星并合產生。

最后，也是需要特別強調的一點是：對引力波的觀測使科學家正式邁入全方位的“多信使天文學”時代。一個天體或是天體爆發(fā)事件往往會發(fā)出各種類型的信號，比如電磁波、中微子、宇宙射線和引力波等。這些信號帶著天體的信息傳了過來，因此被稱為天文學上的“信使”。如果能夠同時接收天體發(fā)出的多種此類信號，就是“多信使”探測，對應的天文學就是“多信使天文學”。

引力波與多信使天文學

一些天體爆發(fā)之后，有可能同時產生電磁波、宇宙射線、中微子和引力波這4類信使。在這4類信使中，電磁波的觀測最早、最成熟也最容易。宇宙射線主要由速度接近光速的高能量質子或電子組成，但它們帶電，在宇宙中穿行時，會因為受到磁場作用而產生偏轉，因此對于接收到的宇宙射線，研究人員很難判斷它們來自何方。

中微子不帶電，也可以被作為直指天體本源的重要信使。人類在幾十年前才首次探測到來自太陽的中微子。除了太陽的中微子之外，銀河系外的中微子也已經(jīng)被人類探測到，最著名的一次河外中微子爆發(fā)是1987年2月在銀河系臨近的星系“大麥哲倫云”發(fā)生的一次壯觀的超新星事件（SN 1987A）。根據(jù)這些中微子，人們獲得了超新星爆發(fā)機制的重要信息。

當天體或者天體爆發(fā)現(xiàn)象非常遙遠時，人們一般只能探測到它們發(fā)出的電磁波，但如果它們距離比較近，就很可能探測到它們發(fā)出的宇宙射線與中微子。2015年之前，引力波在天文觀測中一直缺席，直到人類首次探測到引力波，將多信使天文學中最后一位信使找到，從而完成了多信使天文學的完整拼圖。

首次被“看到”的引力波

曾經(jīng)，天文學家苦苦追尋著引力波;但在探測到引力波之后，天文學家們又不再滿足于探測天體發(fā)出的引力波。他們更遠大的目標是：同時探測到同一個天體發(fā)出的引力波和電磁波。由于在黑洞與黑洞并合中，除了產生引力波外，幾乎沒有其他伴隨現(xiàn)象，天文學家就瞄準了雙中子星或是中子星和黑洞并合事件。在這類并合事件發(fā)生時，不但會發(fā)出引力波，還能產生電磁波信號。這些電磁波信號是由中子星碎塊引起的。在中子星即將與另一顆中子星或者黑洞并合時，中子星的一部分物質被強大的引力撕裂成碎塊。這些被撕碎的中子星的一部分物質會堆積成“吸積盤”，然后回落到中心天體（可能為黑洞，也可能為大質量中子星），與中心天體構成一個“吸積”系統(tǒng)，朝中心天體旋轉軸方向噴發(fā)噴流。與此同時，噴流內部輻射過程有可能產生伽瑪射線暴。

中子星的另一部分碎塊則逃逸出去，其質量大約是太陽的千分之一至十分之一（對應于300到3萬個地球的質量），在逃逸過程中碎塊內部的大量中子衰變?yōu)橘|子，與剩下的其余中子一起，快速形成富含中子的元素，如過渡金屬元素（如金、銀）、鑭系元素（稀土元素）以及錒系元素（如鈾、钚）。這些元素中有很多是放射性元素。

逃逸出的中子星碎塊中具有放射性的元素會發(fā)生裂變、衰變并釋放出大量能量，將其加熱至通紅狀態(tài)，發(fā)出大量紅外線、可見光和紫外線，最亮時甚至能夠達到“新星”典型亮度的一千倍左右，因此被稱為“千新星”或者“巨新星”。1998年，當時正在普林斯頓大學攻讀博士學位的李立新（現(xiàn)為北京大學科維里天文與天體物理學研究所教授）與其導師帕欽斯基首次考慮這個過程，并初步計算了千新星的輻射。此后國際上多個小組發(fā)展、完善了千新星的理論。

雙中子星并合形成引力波、伽瑪射線暴與千新星的過程示意圖。

2017年8月17日，LIGO探測到一個新的引力波;1.7秒后，美國宇航局（NASA）的伽瑪射線衛(wèi)星Fermi在同一片天區(qū)觀測到一個持續(xù)約2秒的短伽瑪暴。在LIGO和NASA相繼發(fā)布此次預警之后，全世界超過70臺各類望遠鏡都追蹤觀測到了這次震撼人心的引力波源，并相繼發(fā)現(xiàn)了紫外線輻射、可見光輻射、紅外線輻射、X射線輻射和射電輻射。

經(jīng)過分析，天文學家們確認：觀測到的引力波、短伽瑪暴、紅外線輻射、可見光輻射、紫外線輻射和射電輻射，全都來自距離地球1.3億光年的星系NGC 4993的邊緣。這是一次中子星與中子星并合導致的引力波事件。原本天文學家們預期，在2020年左右才有可能發(fā)現(xiàn)中子星并合產生的引力波以及伴隨的電磁波輻射，因此2017年的這一次探測算是一個意外的驚喜。

經(jīng)過國際上（特別是美國、歐洲、中國）的多個小組的觀測、分析與計算，人們確定這次觀測到的紅外線、可見光、紫外線輻射來自千新星。這是首次以最直接、最強的證據(jù)證實了中子星與中子星并合會形成千新星，也直接證實這種并合過程會形成大量重元素（如金、銀、鑭系元素、錒系元素，等等）。與此同時，伴隨的伽瑪射線暴直接證實至少一部分短伽瑪暴起源于中子星與中子星并合。

雙中子星并合的藝術想象圖。在這張圖中，兩極噴出的噴流產生了伽瑪暴，赤道附近噴發(fā)出的物質形成可見光、紅外和紫外輻射（“千新星”），整個系統(tǒng)發(fā)出強烈的引力波。

這次意義深遠的觀測，使人類不僅直接“聽”到了引力波，而且還直接“看”到了伴隨引力波出現(xiàn)的可見光輻射，首次實現(xiàn)包含引力波與電磁波的多信使觀測。2017年10月16日，多國天文機構同步將此新聞向全球公布，這個重大的發(fā)現(xiàn)再次震撼了世界，引起無數(shù)媒體爭相報道。

如果不是因為引力波被人類的引力波探測器先探測到，那么這次雙中子星并合事件中伴隨引力波的可見光輻射（“千新星”輻射）不會受到如此密切的關注，天文學家們也許就此錯失了它（它在幾天時間內迅速變暗），也就失去首次直接檢驗千新星與重元素產生機制的機會。正因為引力波的探測表明它來自一個雙中子星并合事件，才引發(fā)了非常及時的后續(xù)觀測（1米口徑的Swope可見光望遠鏡在引力波被探測到之后僅約11小時，就首次發(fā)現(xiàn)了這個千新星可見光輻射信號）。因此，引力波探測除了自身的極端重要性之外，它本身也像天文學家的預警機，及時報告目標，讓天文學家在此后及時采取行動，探測可能伴隨的其他種類的輻射。