首个双中子星并合引力波被发现 中国科学家参与

【财新网】（实习记者 高佳 记者 周辰）今天晚间（2017年10月16日）22时，国际天文界宣布了一次新的科学进展：首次直接探测到了双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号。这标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。

这次发现是由位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和位于欧洲的室女座干涉仪（Virgo）引力波探测器，以及其他70个地面及空间望远镜共同完成的，发现结果发表在物理评论快讯（Physical Review Letters）期刊上，由LIGO-Virgo和其他天文学家合作撰写的系列相关论文也已经被天体物理杂志快讯（Astrophysical Journal Letters）和自然（Nature）期刊接受。

中国科学院高能物理研究所副研究员熊少林向财新记者介绍，与此前LIGO探测到的双黑洞并合引力波不同，双中子星并合不仅产生引力波，还产生了电磁波，“所谓的电磁波就是光，因此可以从两个手段来研究同一个天体物理现象，加深我们对这个天文现象的理解。”

中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，是大质量恒星在演化的最后阶段经过超新星爆发形成的。双中子星系统可以通过万有引力作用相互吸引和旋进，并发出引力波，在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内，因此有机会被观测到。同时，中子星并合以后还会发出伽马光子，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后的数天和数星期内，这场壮丽的并合事件仍会继续发出其他频段的光，或者说电磁信号——包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波。

这也是LIGO迄今为止第五次探测到引力波。2016年2月12日，LIGO合作组宣布，他们于2015年9月14日探测到了引力波，它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞，然后并合为一个62太阳质量的黑洞，失去的3太阳质量转化为引力波的能量。2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日，LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波。

在此前的10月3日，由于在引力波领域做出突出贡献，麻省理工学院雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、加州理工学院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里•巴里什（Barry Barish）被授予2017年诺贝尔物理学奖，业内皆称此次引力波获奖是“众望所归”。

LIGO的引力波发现成果背后也有中国科学家的身影。清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组由信息技术研究院曹军威、范锡龙和计算机系都志辉、郭翔宇（已经研究生毕业）组成，自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员，参与了迄今为止的所有引力波发现并作出贡献。

据曹军威介绍，这个被命名为GW170817的引力波信号于2017年8月17日晚上8时41分（北京时间）被观测到。这次观测由两个相同的LIGO探测器完成，一个位于美国华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿，由位于意大利比萨附近的Virgo探测器提供的信息可以提升引力波事件的空间定位能力。在发现GW170817时，升级为高新LIGO后的第二轮科学观测正接近尾声，而Virgo处于刚刚开始升级为高新Virgo的第一次运行。

2017年8月17日，LIGO的实时数据分析软件从其中一个LIGO探测器中捕捉到了一个很强的来自太空的引力波信号。美国宇航局的费米空间望远镜的监测器几乎同时观测到了一个伽马暴信号。LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号，得出结论：这不太可能只是一个巧合。另一个自动分析表明另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号。LIGO-Virgo团队的快速引力波探测分析，以及费米望远镜的伽马暴探测，启动了世界范围内的望远镜后继观测。

LIGO的数据表明两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋进。数据显示这个天体系统的质量没有双黑洞大——LIGO-Virgo之前已经探测到过来自双黑洞并合的引力波。相反，这两个相互旋进的天体的质量估计为1.1-1.6倍太阳质量，恰好是中子星的质量范围。中子星直径约20千米，极其致密，一小勺中子星物质的质量可达10亿吨。对于噪音背景的分析显示，这种强度的信号是由一致性随机噪音产生的概率低于每8万年一次。

之前LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号，在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间，然而，在8月17日探测到的信号持续了100秒，并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。科学家们可以识别这个天体源的质量远比迄今观测到的所有黑洞的质量都要小得多。

据介绍，清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组近两年来在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面，开展了算法设计、性能优化与软件开发等方面的工作，主要研究工作包括：构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法，并利用该方法搜索信号，完善了“贝叶斯多信使天文学框架”，并且用该框架研究引力波—短伽马暴，还进一步优化了GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线，并着手探索深度学习在引力波实时数据分析中的应用等。这些工作得到了国家自然科学基金委员会和清华大学自主科研计划的资助。

LIGO由美国国家自然科学基金（NSF）资助，加州理工学院和麻省理工学院负责建造和运行，来自世界各地的1200多名科学家通过LIGO科学合作组织参与具体工作，其中包括GEO合作组织。Virgo合作组织则由来自20个不同的欧洲研究团队的280名物理学家和工程师组成，Virgo探测器位于意大利比萨的欧洲引力天文台。■