此次事件中，引力波、伽馬射線和可見光在天球的位置。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來自并合后10.9小時(shí)的Swope光學(xué)發(fā)現(xiàn)圖片（右上方）與在并合20.5天前的圖片（右下方）。LIGO科學(xué)合作組織

繼三位科學(xué)家捧走2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，引力波科學(xué)家又“搞”了個(gè)大新聞。北京時(shí)間10月16日晚10點(diǎn)，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和處女座（Virgo）引力波探測器合作組織聯(lián)合召開發(fā)布會，宣布接收到來自1.3億光年外星系NGC4993的引力波信號。更令人激動的是，引力波信號很有可能來自兩顆并合的中子星，隨后科學(xué)家觀測到了并合產(chǎn)生的伽馬射線暴、光學(xué)輻射以及巨新星現(xiàn)象，對這次雙中子星合并實(shí)現(xiàn)了“引力波+電磁波”的聯(lián)合觀測。

作為一名圍觀群眾，人們往往會感嘆如此微弱的漣漪在浩瀚的宇宙中傳播了數(shù)億年竟然能被人類所捕獲，科學(xué)家們用一生的努力做賭注，去挑戰(zhàn)連愛因斯坦本人都不敢想象的探測極限，并最終挑戰(zhàn)成功捧走了“大獎(jiǎng)”。但如果問工作在一線的引力波專家們，甚至包括獲得今年諾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，2017年最值得興奮的事是什么？是“諾獎(jiǎng)”嗎？我想答案多半是否定的。2017年最震動引力波研究領(lǐng)域的事情應(yīng)該是，2017年8月17日人類第一次探測到雙中子星并合所產(chǎn)生的引力波，并同時(shí)探測到了和該引力波成協(xié)的電磁波對應(yīng)體！

真正開啟引力波天文學(xué)大門

引力波信號的直接探測為人類開啟了一個(gè)認(rèn)識宇宙的全新窗口，它必然在二十一世紀(jì)掀起一場認(rèn)識宇宙以及基礎(chǔ)物理的革命。然而，引力波信號自身存在一定缺陷，比如信號十分微弱，信號源的定位誤差非常大，單純地利用引力波探測無法確認(rèn)信號究竟是來自地球附近,還是來自銀河系內(nèi),又或者來自銀河系外。再加上目前探測到的引力波信號都是暫現(xiàn)源，通俗地說就是一次性的，無法重復(fù)觀測，因此如果沒有其他信息的聯(lián)合探測，那么引力波的探測就僅僅是引力波探測合作組的一家之言。極端來講，這種情況下如果所有的引力波學(xué)家聯(lián)合起來，統(tǒng)一口徑，那么誰又知道站在我們面前的是“鹿”還是“馬”呢？

天文學(xué)家自然不會同意這種情況的出現(xiàn)。他們指出，目前能夠探測到的引力波事件都對應(yīng)著黑洞、中子星等致密星體的并合。這種災(zāi)變性的事件應(yīng)該通過多種渠道向外釋放能量，引力波是一種，電磁波也應(yīng)該是一種。

天文學(xué)發(fā)展至今，電磁波段是發(fā)展最完善、理論研究最透徹的觀測窗口，也是現(xiàn)有探測手段與探測儀器最豐富的窗口。只有實(shí)現(xiàn)了引力波與電磁波的聯(lián)合探測，我們才可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對其天體物理性質(zhì)，如引力波源的距離，引力波源所在的星系類型等開展進(jìn)一步的研究，并揭示物理過程的更多本質(zhì)。最后，通過對比引力波與電磁波信號到達(dá)時(shí)間差等，可以檢驗(yàn)愛因斯坦等效原理、廣義相對論等重要物理學(xué)原理，等等。從引力波天文學(xué)的角度上講，引力波事件電磁對應(yīng)體的觀測研究意義可相比于引力波信號的直接探測。換句話說，只有實(shí)現(xiàn)“引力波+電磁波”的聯(lián)合探測，才是真正意義上開啟了引力波天文學(xué)的大門。

期待中的電磁對應(yīng)體

引力波究竟是否存在電磁對應(yīng)體？電磁對應(yīng)體又可能是哪些呢？這個(gè)問題其實(shí)早在LIGO剛剛開始建設(shè)的時(shí)候，就成為天文學(xué)研究中的一個(gè)熱門話題。

地面引力波探測器主要探測目標(biāo)是恒星級致密星體的并合，即雙黑洞并合、雙中子星并合以及中子星和黑洞并合。理論上通常認(rèn)為，雙黑洞周圍很難有物質(zhì)存在，因此雙黑洞并合不會產(chǎn)生可探測的電磁對應(yīng)體。但是就在LIGO探測到第一例雙黑洞并合引力波事件后不久，美國的費(fèi)米（Fermi）衛(wèi)星宣稱探測到了一個(gè)疑似的電磁對應(yīng)體。由于其他望遠(yuǎn)鏡都沒有探測到這個(gè)源，而且Fermi公布的信號太弱了，所以很多研究小組都在質(zhì)疑這個(gè)對應(yīng)體的真實(shí)性。不過有趣的是，這個(gè)事件引發(fā)了理論家的思考，人們提出了多種可能的雙黑洞并合產(chǎn)生明亮電磁輻射的模型。這些模型都等待著未來觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。不過迄今為止觀測到的4例雙黑洞并合引力波事件，都沒有被探測到電磁對應(yīng)體。

對于雙中子星并合以及中子星與黑洞并合，由于中子星本身攜帶大量的物質(zhì)，因此人們認(rèn)為這兩種并合現(xiàn)象會產(chǎn)生多種明亮的電磁輻射信號。具體說來，在并合的過程中，中子星會被撕裂，一小部分物質(zhì)由于離心力被甩了出去，而大部分物質(zhì)會向中心沉降并形成一個(gè)新的中心天體，比如黑洞或中子星。

中心天體形成后，當(dāng)繼續(xù)有物質(zhì)掉落到中心天體的引力范圍內(nèi)，引力能的釋放會誘發(fā)產(chǎn)生噴流。它沿著新中心天體轉(zhuǎn)動軸方向噴射而出，速度接近光速。由于能量耗散，噴流會產(chǎn)生從伽馬射線到X射線、紫外、光學(xué)、紅外乃至射電的多波段電磁波輻射，這被稱作伽馬暴及其余輝輻射。由于相對論效應(yīng)，當(dāng)我們的視線方向恰好在噴流的夾角內(nèi)時(shí)，這些信號才會被探測到。

另一方面，由于那一小部分被甩出去的物質(zhì)以自由中子為主，其內(nèi)部會產(chǎn)生激烈的核反應(yīng)過程。這一小部分物質(zhì)會被迅速加熱并產(chǎn)生熱輻射，其輻射波段集中在紅外和光學(xué)波段，大約在天或周的時(shí)間尺度上達(dá)到輻射峰值。這種輻射被稱為巨新星輻射，幾乎從各個(gè)方向都能被探測到，因此成為最被期待的引力波電磁對應(yīng)體。

望遠(yuǎn)鏡“組團(tuán)”展開搜索

應(yīng)該如何去探測引力波電磁對應(yīng)體呢？有人可能會說，這些信號不是都被理論學(xué)家計(jì)算好了嘛，那就按圖索驥唄？錯(cuò)！我們要當(dāng)作完全不知道電磁對應(yīng)體長成什么樣子來搜尋。因?yàn)樵跊]有被探測到之前，誰知道這些被預(yù)言的信號是真實(shí)存在的，還是僅僅活在理論學(xué)家的腦子里呢？

引力波電磁對應(yīng)體的搜索有兩種途徑，一種是電磁波望遠(yuǎn)鏡單獨(dú)對盡可能大的天空進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并記錄下所有的暫現(xiàn)源的開始時(shí)間和位置，通過與引力波事件的時(shí)間和位置的對比，找出引力波電磁對應(yīng)體。另一種是當(dāng)引力波探測器探測到引力波信號后，快速通知給電磁波望遠(yuǎn)鏡，并提供一個(gè)大致的位置范圍，望遠(yuǎn)鏡通過對這個(gè)位置范圍進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。由于并不知道真實(shí)的電磁對應(yīng)體會出現(xiàn)在什么時(shí)候、什么波段，因此兩種方法都要求參與的望遠(yuǎn)鏡足夠多，波段足夠?qū)挘@樣才有可能實(shí)現(xiàn)對引力波定位誤差范圍的覆蓋。目前已經(jīng)有90多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的超過100多個(gè)望遠(yuǎn)鏡和引力波合作組簽署了合作協(xié)議，隨時(shí)待命開展電磁對應(yīng)體的搜索。

第一種方法，要求望遠(yuǎn)鏡一次性能夠監(jiān)測的天空范圍越大越好，最好是全天監(jiān)測，這樣只要有對應(yīng)體出現(xiàn)，就一定能被逮到。目前大監(jiān)測視場的望遠(yuǎn)鏡多是探測伽馬射線或硬X射線的高能望遠(yuǎn)鏡，這次GW170817的第一個(gè)電磁信號就是在引力波觸發(fā)2秒之后，由美國Fermi衛(wèi)星通過這種方法探測到的短伽馬射線暴信號。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了引力波信號的天體物理起源，同時(shí)也揭示了困擾天體物理研究領(lǐng)域幾十年的短伽馬射線暴起源之謎。

對第二種方法，100多個(gè)望遠(yuǎn)鏡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橐Σㄌ綔y器給出的誤差范圍相對于電磁波望遠(yuǎn)鏡，尤其是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來說太大了。聰明的科學(xué)家們提出可以通過建立完備的星系列表，只針對引力波定位范圍內(nèi)的星系，分工進(jìn)行觀測。不過隨著距離的增加，星系個(gè)數(shù)會急劇上升，因此這種方法只針對很近的引力波源才有作用。幸運(yùn)的是，LIGO探測到的第一個(gè)雙中子星并合信號GW170817離我們很近，人們利用第一種方法真的在紅外與光學(xué)波段找到了理論家預(yù)言的巨新星信號。

由此，理論家預(yù)言的電磁波信號幾乎全部被找到。有理由期待，在這樣一個(gè)全新的引力波天文學(xué)時(shí)代，人類對未知的探索將邁上一個(gè)更高的階梯！（科技日報(bào)）