引力波向我们展示了比黑洞更酷的东西

人类首次观测到来自同一事件的光和引力波，即距离我们 1.3 亿光年的中子星碰撞。得益于激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的提前警告，地球上各大洲（包括南极洲）的约 70 个天文台成功收看了这次合并。基于这一“多信使”事件，数千名科学家正在对中子星的行为以及金和铀等元素的起源取得突破性进展。

当质量巨大的物体（如黑洞）相互碰撞时，它们会释放出足够的能量来改变时空结构，就像将石头扔进水池会产生涟漪一样。位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双 LIGO 探测器一直在监测这些波信号，它们已经探测到几次黑洞碰撞，这一成就值得今年的诺贝尔奖。最近，意大利的 Virgo 探测器也开始探测引力波。

8 月 17 日，LIGO 接收到一个信号，称为 GW170817，与它之前探测到的任何信号都不同。研究人员在《物理评论快报》上发表了完整结果。虽然黑洞合并在有限的频率范围内产生了短暂的啁啾声，但这个信号持续了 100 秒，并传遍了整个频率范围。科学家们意识到产生 GW170817 的物体比黑洞小得多——它们一定是中子星。

什么是中子星？

中子星的重量略大于我们的太阳，但其质量却被塞进一个直径不到 12 英里（小于曼哈顿长度）的物体中。由于它们的密度极高（一茶匙中子星的重量约为 60 亿吨），这些恒星中的物质看起来并不像地球上所有物质的常见原子。相反，中子星包含通常在原子核中发现的粒子，即密集的中子群（因此得名），其中混杂着少量质子。

与黑洞不同，中子星碰撞时会产生可见的奇观：理论家预测它们会射出伽马射线并将发光物质抛入太空。因此，当 LIGO 听到 GW170817 时，其研究人员提醒全球天文学家开始扫描天空。多亏了 Virgo，他们还可以告诉天文台大致的观测位置。到达每个探测器的信号强度略有不同，到达时间也略有不同，研究人员可以分析这些差异以缩小波可能起源的空间区域：从地球南半球可见的 30 平方度区域。

美国宇航局的费米太空望远镜捕捉到了伽马射线爆发的迹象。智利的光学望远镜捕捉到了这次合并喷出的熔融物质，使研究人员能够精确定位中子星碰撞的确切星系：NGC4993。X 射线望远镜、射电望远镜、红外和紫外望远镜，甚至南极的中微子探测器——几乎所有可以观测南半球的天文台都试图捕捉这次合并。

哥伦比亚大学天体物理学家布莱恩·梅茨格对《大众科学》表示：“可能从来没有发生过一个事件受到如此多望远镜如此密切的监测。”

如此多的观测者正齐聚天空，这实现了引力波天文学最有价值的承诺之一：多信使事件。通过引力波、伽马射线和全电磁波谱观察中子星合并，研究人员已经在中子星以及宇宙中许多元素的形成方式方面取得了突破。随着他们继续分析数据，肯定会有更多论文问世。

“我们才刚刚开始探索引力宇宙，”加州理工学院 LIGO 实验室执行主任 David Reitze 告诉《大众科学》 。“我们很可能会看到一些没人预料到的事情，这将真正动摇既定科学理论的范式。”（Reitze 的首要目标是：“恕我直言，证明爱因斯坦是错的将是一件大事。我们可能能够看到广义相对论大厦中的裂缝。这也许能给我们一个线索，让我们知道如何将广义相对论和量子理论结合起来，形成一个超级理论，一个万物理论。”）

与此同时，以下是科学家们正在庆祝的一些发现。

首个非黑洞引力波

科学家们对这一事实议论纷纷，称这是有史以来第一次涉及引力波的多信使事件（即使用多种信号观测到的天文事件）。这种炒作是当之无愧的；毕竟，这代表着一种新型天文学的开始。但在兴奋之余，别忘了，这也是有史以来第一次探测到来自中子星合并的引力波。

这意味着这次碰撞是首次可以进行多信使观测的引力波事件（黑洞不产生光）。除此之外，它还让研究人员更好地了解中子星合并发生的频率——相对而言。根据这一发现，LIGO 预计每年可观测到一到两次中子星合并，每周可观测到一次。

解决短伽马射线爆发

碰撞产生的引力波到达地球后仅两秒，美国宇航局的费米太空望远镜就探测到了短暂的伽马射线爆发。研究人员在 20 世纪 60 年代首次开始探测伽马射线爆发，尽管理论认为中子星碰撞可能会产生这些信号，但研究人员无法证实这一点——直到现在。

“证据只能来自引力波，”西北大学天体物理学家、LIGO 科学合作小组成员 Vicky Kalogera 告诉《大众科学》 。“在首次探测到引力波 50 年后，我们终于找到了这个长期谜团的答案，解开它让我们感到兴奋不已。”

从天体物理学家的角度来看，更妙的是，这一谜团的答案引发了新的问题。具体来说，伽马射线异常微弱，尤其是对于来自相对较近源头的信号而言。

“这是一次短伽马射线爆发，”卡洛格拉说道，“但这不是普通的短伽马射线爆发。”为了解释强度的不足，研究人员必须建立中子星产生伽马射线的新模型，并密切关注更多碰撞进行研究。

确定起源星系

尽管地球可以在引力波撞击后立即探测到伽马射线爆发，但光学望远镜必须等待几个小时。 LIGO 的分析表明，中子星合并只能从南半球看到——这意味着那里的望远镜必须等到天黑。

全球各地的研究人员开始与这些望远镜进行通信，指导它们观察的方向并分析它们产生的图像。最后，智利拉斯坎帕纳斯天文台的斯沃普望远镜拍摄了一张带有指示标志的图像。然后，由加州大学圣克鲁斯分校的瑞安·福利领导的团队必须确认这不是虚惊一场。

“如果你是一名探险家，试图寻找一个新岛屿，并且你在远处看到一些陆地，”Foley 告诉《大众科学》 ，“你要确保它不是一个半岛或一个已经被发现的区域。”

最后，他的团队正式宣布，他们已在星系 NGC4993 中找到了中子星的所在地——几分钟后，另一个团队也宣布了这一消息。事实上，多个团队一直在努力通过光学望远镜追踪信号，他们在几分钟之内宣布了他们的发现（所有人都同意该位置位于 NGC4993）。

“整个过程非常令人兴奋，但此时此刻，你没有太多时间坐下来思考，”Foley 说。“你必须全力以赴，专注于手头的任务。”

一旦研究人员知道了这个双星系统的位置，他们就可以更多地了解它在合并前的情况。例如，美国宇航局的哈勃太空望远镜仅在几个月前就观测到了这个特殊的星系。

“了解该星系的特性让我们能够揭开该系统的历史，”卡洛格拉说。“这颗双中子星在发现自己合并之前，曾对其所在星系进行了一次旋风式巡游。”

除了星系历史之外，光学望远镜还可以记录合并产生的光谱，以及该光谱随时间的变化。这有助于更好地了解两颗中子星碰撞时究竟会发生什么。

粉碎中子星

梅茨格等理论家已经预测了中子星碰撞时将发生的情况：潮汐力将使恒星的外层飞向太空，而夹在中间的物质会过热然后喷出，就像牙膏从管子里挤出来一样。

这种飞行物质不仅温度极高，而且放射性极强。虽然人们认为，随着物质向外膨胀，以光速的十分之几的速度移动，热量会逐渐消退，但放射性却使温度保持在高位。最终，这种物质开始发光，这种现象被称为千新星。

光学望远镜很早就捕捉到了这次合并，观察了千新星随时间的增长和发展。这些观测结果与理论家的预测非常吻合。

“这是理论天体物理学的一次胜利，”梅茨格说。“我非常兴奋地看到大自然揭开了帷幕，这一事件与我们之前以抽象和缺乏数据的方式预测和思考的事件如此相似。”

重元素的起源

这并不是唯一的理论胜利。中子星合并不只是产生光芒。请记住，中子星由中子和质子组成，前者的数量约为后者的 10 倍。当这种物质冲入虚空时，它终于有空间开始形成原子——具体来说，是金、铂和铀等重元素的原子。

事实上，梅茨格说：“你可以生成元素周期表底部的大部分元素。”他估计，这次中子星碰撞产生了相当于约 100 个地球质量的黄金、几百个地球质量的铂和数十个地球质量的铀。

研究人员此前曾预测，许多比铁重的元素可能是在中子星合并的碰撞中形成的。但这次观察证实，这些元素中大约有一半的形成要归功于中子星碰撞。