8月底以來,天文圈一直暗流洶涌,世界各地70多家天文臺早早地準(zhǔn)備聯(lián)手發(fā)布重磅炸彈。上到Nature雜志的“官方謠言”,下到德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的J. Craig Wheeler、 華盛頓大學(xué)西雅圖分校的Peter Yoachim兩位教授的推文等等,搞得好多吃瓜群眾們既心慌慌又心癢癢的:莫非是外星人真的要來了?
還好,八卦久了終會出現(xiàn)真相——北京時間2017年10月16日22:00(美國東部時間10月16日10時),LIGO-Virgo 科學(xué)合作組及全球各主要天文臺同步發(fā)布重大天文學(xué)發(fā)現(xiàn):首次直接探測到了由雙中子星并合產(chǎn)生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號,正式編號——GW170817。
此次發(fā)現(xiàn)也標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其它望遠(yuǎn)鏡同時觀測到了同一個天體物理事件,開啟了期待已久的多信使天文學(xué)的新窗口,引力波天文學(xué)也為理解中子星的性質(zhì)提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會。
美東時間10月16日上午10點(diǎn),北京時間10月16日晚上22點(diǎn),LIGO實(shí)驗(yàn)室、LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作組織在美國華盛頓DC聯(lián)合全球數(shù)十家天文臺宣布,LIGO在8月17日上午協(xié)調(diào)世界時間(Coordinate Universal Time)12點(diǎn)41分04秒,即美東時間上午8點(diǎn)41分04秒,探測到雙中子星并合所產(chǎn)生的引力波(GW170817)! 這是人類首次探測到雙中子星并合事件!
1.7秒之后,美國宇航局費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡探測到此雙中子星并合所產(chǎn)生的伽瑪暴(GRB170817A)! 這是人類首次探測到引力波的電磁對應(yīng)體! 宣示雙信使天文學(xué)時代的正式來臨。
這一突破給全球范圍的天文學(xué)家?guī)硪粓銮八从械氖⒀纾澜绺鞯靥煳呐_在隨后的觀測中,探測到此雙中子星并合所產(chǎn)生的從X射線到微波的電磁信號,找到金、鉑等新合成貴重元素的信號,揭開困擾學(xué)界數(shù)十年的比鐵重的元素宇宙起源之謎。
這一系列重大成果也宛若論文金礦,引發(fā)了全球頂級期刊對首發(fā)論文的激烈競爭。PRL當(dāng)仁不讓占據(jù)頭條。Nature和Science為配合LIGO的新聞發(fā)布,改變了通常美東時間周三周四上線新文章的時間作息,推出系列相關(guān)研究論文,光Nature就一口氣6篇!中國旗艦期刊《科學(xué)通報(bào)》英文版Science Bulletin 也同步上線中國天文學(xué)家重要成果。
2017年8月17日,12:41:04 (協(xié)調(diào)世界時),在近地軌道默默飛馳著的費(fèi)米-伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡向地面自動發(fā)送了一條簡訊,內(nèi)容是它剛剛探測到了一次來自宇宙深處伽馬射線暴發(fā)。
大約6分鐘后, 位于美國加利福尼亞州漢福德市的 LIGO 引力波探測器傳來消息,在剛剛探測到的伽馬暴發(fā)生前 1.7秒,探測到一次引力波暴發(fā)事件。
13:21:42,加入全球聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN)的世界各地的望遠(yuǎn)鏡控制中心同時收到一則通知,內(nèi)容是發(fā)現(xiàn)一例高度疑似雙中子星并合事件,并通報(bào)了初步判定的方位坐標(biāo)。全世界的天文學(xué)家頓時都沸騰了,紛紛把自己的望遠(yuǎn)鏡指向信號來源的方向.....
同一時間(北京時間8月17日晚上9點(diǎn)多鐘),已經(jīng)通過協(xié)議加入了LIGO多信使全球觀測合作的慧眼團(tuán)隊(duì),也收到了疑似觀測到雙中子星合并的通報(bào),把在軌運(yùn)行僅2個月,還處在緊張測試階段的慧眼衛(wèi)星,對準(zhǔn)了信號來源的方向……
全世界的望遠(yuǎn)鏡都在同一時間指向了同一個方向:那席卷1.3 億光年的時空狂瀾的源頭。
第一次,人類不僅“聽”到了引力波的“聲音”,還“看”到了引力波的起源。
簡單的來說,引力波是指時空彎曲中的漣漪,通過波的形式從輻射源向外傳播,這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在愛因斯坦的描述中,有質(zhì)量的物體會使它周圍的時空發(fā)生扭曲,物體的質(zhì)量越大,時空就扭曲得越厲害。
質(zhì)量巨大的系統(tǒng),比如兩個黑洞或兩顆中子星快速相互繞轉(zhuǎn),它們產(chǎn)生的漣漪可就厲害了——像這種致密雙星并合過程,所釋放的能量,遠(yuǎn)超太陽一生釋放的能量總和。而這么大的能量,通常會集中在最后一秒內(nèi)爆發(fā)——那一刻,整個宇宙中所有別的天體釋放功率的總和都及不上它,就問你怕不怕!
這已經(jīng)是 LIGO 探測到的第 6 個引力波信號了。前 5 次的引力波都是來自兩個黑洞合并,并且黑洞的總質(zhì)量都超過20個太陽質(zhì)量。相互繞轉(zhuǎn)的黑洞在時空中激起震蕩,就像蹦床中央兩個跳舞的大胖子在蹦床上激起的震顫一樣。而這一次引起引力波的物體總質(zhì)量只有 2.8 個太陽質(zhì)量,這對于黑洞而言太小了,倒很像是中子星。除了質(zhì)量的不同之外,其他 5 次黑洞合并沒有被用任何電磁波望遠(yuǎn)鏡觀測到,而這一次卻被從射電到伽馬射線、工作在不同電磁波能段上的不同望遠(yuǎn)鏡探測到。這些跡象都表明,這一次的引力波應(yīng)該來自兩個中子星的碰撞。
中子星是何方神圣?為什么它碰撞發(fā)出的引力波比黑洞的引力波更讓科學(xué)家們興奮?
引力波和傳統(tǒng)天文學(xué)終于成功的并肩作戰(zhàn)。從今以后,“引力波”領(lǐng)域,終于毫無疑問的成為天文科學(xué)的一員。
天文學(xué)家們認(rèn)定,這是一次雙中子星的碰撞事件。引力波GW170817的觀測,讓我們測量了兩個中子星的質(zhì)量。伽馬射線暴GRB170817A,讓我們認(rèn)識到中子星碰撞后有物質(zhì)被高速拋出;后續(xù)的紫外、可見和紅外光學(xué)觀測和不同譜段光強(qiáng)的分析,讓我們初步確定發(fā)光來自于重元素的衰變,確立了SSS17a是一個千新星。X光和射電 (微波波段的無線電) 觀測,讓我們更好地了解了爆炸的能量,拋出物質(zhì)的狀況,以及爆炸周圍的環(huán)境。
這樣,天文學(xué)家們就初步確認(rèn)了“短伽馬射線暴”的物理起源,初步確認(rèn)了中子星的存在并且了解了它的成分,而且對宇宙中重元素的起源,有了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過對引力波強(qiáng)度的測量,我們獨(dú)立測量了NGC4993這個星系和地球距離,對宇宙膨脹的速率,以及宇宙的年齡又多了一個獨(dú)立的測量方法。通過對引力波和電磁波到達(dá)時間,我們對引力波的速度也有了新的測量。
2015年,人類首次捕捉到黑洞發(fā)出的引力波 。我們不但證實(shí)了引力波這種時空的漣漪可以在宇宙空間中產(chǎn)生、傳播,并且和地球上的儀器發(fā)生作用,也開始近距離地觀測黑洞周圍高度扭曲變形的時空。前幾次對黑洞的觀測,讓物理學(xué)家異常興奮,而這次對雙中子星碰撞的探測,真可以說是各個波段的天文學(xué)家們集體的盛宴。
引力波的盛會中國科學(xué)家可不會缺席。中科院高能物理研究所的“慧眼”X射線望遠(yuǎn)鏡(HXMT),參與了X射線波段的后續(xù)觀測。
紫金山天文臺的南極巡天望遠(yuǎn)鏡,參與了光學(xué)波段的后續(xù)觀測。
清華大學(xué)等單位的研究人員,通過和LIGO組織合作,參與了引力波信號分析。
目前,空間引力波探測已被列入中國科學(xué)院制訂的空間2050年規(guī)劃中。而我國主要的三個大型引力波探測項(xiàng)目:太極計(jì)劃、天琴計(jì)劃和阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,則均與LIGO一樣,都是利用激光干涉的方式,對引力波進(jìn)行探測和研究。
引力波和物質(zhì)之間的相互作用極度微弱,因此它的衰減也是極度緩慢的??墒牵覀儾⒉恢烙钪娈a(chǎn)生一個文明需要多久。劉慈欣在《三體》中用黑暗森林理論來解釋費(fèi)米悖論——為什么我們看不到外星人,但是現(xiàn)實(shí)中,有兩個更加簡單的可能解釋:第一,智慧文明的誕生也許極端困難、極端罕見;第二,我們有可能是宇宙間第一批(甚至第一個)文明。
在這個意義上,我們也許將是最初和最后的人。宇宙并不在乎其間發(fā)生了什么,它自會按照自己的規(guī)律運(yùn)行;而我們誕生在了一個幸運(yùn)的時刻,或許能在不久的將來目睹終極理論的誕生,甚至可能將是唯一親自見證這一瞬間的文明。宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的,而倘若我們真的理解了它,那將何其有幸!朝聞道,夕死可矣;我們都將死去,但哪怕我們所創(chuàng)造的一切都將化為灰燼,我們依然能知道宇宙初生的那個黎明,和宇宙最終滅亡的那個夜晚。我們將憑知識超越時空——而現(xiàn)在,我們又在這條道路上邁出小小的一步。