引力波开启新时代，中国科学家“带着装备”加入战团

　　来源：中国科学院高能物理研究所、中国科学院紫金山天文台

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　　北京时间2017年10月16日22点，多国科学家联合宣布发现“双中子星引力波事件及电磁对应体”，中国科学家和天文设备参与其中。

　　2017年8月17日，LIGO和Virgo（欧洲“室女座”引力波探测器）共同探测到的不同以往的新型引力波事件GW 170817，是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波。随后的几秒之内，美国宇航局Fermi伽马射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽马暴GRB 170817A。全球有几十台天文设备对GW 170817开展了后随观测，确定这次引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。

　　我国第一颗空间X射线天文卫星――慧眼HXMT望远镜――在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体（简称引力波闪）在高能区（MeV，百万电子伏特）的辐射性质给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献，相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。



图1：AST3-2在8月18日观测窗口期内引力波光学信号（红色方框内）。

　　同时，自北京时间2017年8月18日21：10起（即距离此次引力波事件发生24小时后），中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW 170817开展了有效的观测，此次观测持续到8月28日，期间获得了大量的重要数据，并探测到此次引力波事件的光学信号（图1）。

　　本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同，它由两颗中子星并合产生。此前科学家理论预言双中子星并合不仅能产生引力波，而且能产生电磁波，即引力波电磁对应体，因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现。

　　这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体，是引力波天文学的极为重要的里程碑，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了多信使引力波天文学时代。

　　中国科学家获得的这些数据和全球其他天文台的观测结果一起揭示了此次双中子星并合抛射出1 %量级太阳质量（超过3000 个地球质量）的物质，这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间，抛射过程中部分物质发生核合成，形成比铁还重的元素。因此，这次引力波光学对应体的发现，证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、银）的起源。

　　虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离（40 Mpc，约1.3亿光年）的双中子星并合产生的引力波闪将非常明亮，但慧眼（以及其它伽马射线望远镜）在MeV能区没有探测到高能辐射，表明本次引力波闪非常暗弱且能谱较软，跟理论预言相差甚远，具有非常特殊的辐射性质。慧眼望远镜凭借强大的探测性能，对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束（如下图）。


　　<em>图：慧眼望远镜的探测结果。对本次引力波事件产生的高能电磁对应体，即编号为GRB170817A的伽马暴，及其先兆和延展辐射在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束。</em>

　　鉴于慧眼观测限制的重要性，慧眼望远镜不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文（即发现论文），而且在论文的正文部分报告了观测结果。该发现论文是关于该引力波事件的同时发表的一系列论文中最核心的领头论文，已于10月16日正式发表。

　　除了参与上述历史性的发现论文，慧眼望远镜的详细分析结果以独立论文的形式已于10月16日同步发表在《中国科学：物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。

　　引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。极端天体物理过程中引力场急剧变化，产生时空扰动并向外传播，人们形象地称之为“时空涟漪”。自从2015年9月14日LIGO首先发现双黑洞并合产生的引力波事件（编号GW150914）以来，已经探测到4例引力波事件，包括前不久LIGO和Virgo联合探测的GW170814。

　　引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用，因此，人们普遍认为这次同时发现GW170817及其电磁辐射是引力波研究的一个新的里程碑。


图2：慧眼望远镜示意图


图3：双中子星并合过程既能产生引力波，又能产生电磁波（图片来自网络）

　　慧眼望远镜由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造，于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空，开始为期5个月的试运行。中科院高能物理研究所（粒子天体物理重点实验室）负责望远镜观测运行以及数据处理。参与本次引力波事件观测时，慧眼望远镜刚刚试运行2个月。


图4：第二台南极巡天望远镜AST3-2

　　AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜（图4）。其有效通光口径50厘米，是南极现有最大的光学望远镜，并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前，AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文前沿研究。