引力波“大事件”開啓新時代 中國科學家“帶着裝備”加入戰團
北京時間2017年10月16日22點，多國科學家聯合宣佈發現“雙中子星引力波事件及電磁對應體”，中國科學家和天文設備參與其中。
2017年8月17日，LIGO和Virgo(歐洲“室女座”引力波探測器)共同探測到的不同以往的新型引力波事件GW 170817，是人類首次直接探測到由兩顆中子星併合產生的引力波。隨後的幾秒之內，美國宇航局Fermi伽馬射線衞星和歐洲INTEGRAL衞星都探測到了一個極弱的短時標伽馬暴GRB 170817A。全球有幾十台天文設備對GW 170817開展了後隨觀測，確定這次引力波事件發生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。
我國第一顆空間X射線天文衞星——慧眼HXMT望遠鏡——在引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區，對其伽馬射線電磁對應體(簡稱引力波閃)在高能區(MeV，百萬電子伏特)的輻射性質給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻，相關探測結果發表在報告此次歷史性發現的研究論文中。
圖1：AST3-2在8月18日觀測窗口期內引力波光學信號(紅色方框內)
同時，自北京時間2017年8月18日21:10起(即距離此次引力波事件發生24小時後)，中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極崑崙站運行的第2台望遠鏡AST3-2對GW 170817開展了有效的觀測，此次觀測持續到8月28日，期間獲得了大量的重要數據，並探測到此次引力波事件的光學信號(圖1)。
本次發現的引力波事件跟以往發現的雙黑洞併合不同，它由兩顆中子星併合產生。此前科學家理論預言雙中子星併合不僅能產生引力波，而且能產生電磁波，即引力波電磁對應體，因此本次探測到引力波以及電磁對應體是天文學家期待已久的重大發現。
這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應體，是引力波天文學的極為重要的里程碑，在天文學以及物理學發展史上具有劃時代的意義，正式開啓了多信使引力波天文學時代。
中國科學家獲得的這些數據和全球其他天文台的觀測結果一起揭示了此次雙中子星併合拋射出1 %量級太陽質量(超過3000 個地球質量)的物質，這些物質以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質發生核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波光學對應體的發現，證實了雙中子星併合事件是宇宙中大部分超重元素(金、銀)的起源。
雖然此前人們普遍預計像本次事件這樣近距離(40 Mpc，約1.3億光年)的雙中子星併合產生的引力波閃將非常明亮，但慧眼(以及其它伽馬射線望遠鏡)在MeV能區沒有探測到高能輻射，表明本次引力波閃非常闇弱且能譜較軟，跟理論預言相差甚遠，具有非常特殊的輻射性質。慧眼望遠鏡憑藉強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限約束(如下圖)。
圖：慧眼望遠鏡的探測結果。對本次引力波事件產生的高能電磁對應體，即編號為GRB170817A的伽馬暴，及其先兆和延展輻射在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限約束。
鑑於慧眼觀測限制的重要性，慧眼望遠鏡不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發現的論文(即發現論文)，而且在論文的正文部分報告了觀測結果。該發現論文是關於該引力波事件的同時發表的一系列論文中最核心的領頭論文，已於10月16日正式發表。
除了參與上述歷史性的發現論文，慧眼望遠鏡的詳細分析結果以獨立論文的形式已於10月16日同步發表在《中國科學：物理學力學天文學》雜誌英文版的網頁版。
引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論後的預言。極端天體物理過程中引力場急劇變化，產生時空擾動並向外傳播，人們形象地稱之為“時空漣漪”。自從2015年9月14日LIGO首先發現雙黑洞併合產生的引力波事件(編號GW150914)以來，已經探測到4例引力波事件，包括前不久LIGO和Virgo聯合探測的GW170814。
引力波的直接探測剛剛獲得了2017年度諾貝爾物理學獎。探測引力波電磁對應體對研究引力波事件、宇宙學以及基礎物理具有不可替代的決定性作用，因此，人們普遍認為這次同時發現GW170817及其電磁輻射是引力波研究的一個新的里程碑。
圖2：慧眼望遠鏡示意圖
圖3：雙中子星併合過程既能產生引力波，又能產生電磁波(圖片來自網絡)
慧眼望遠鏡由國家國防科技工業局和中國科學院聯合資助建造，於2017年6月15日從酒泉衞星發射中心發射升空，開始為期5個月的試運行。中科院高能物理研究所(粒子天體物理重點實驗室)負責望遠鏡觀測運行以及數據處理。參與本次引力波事件觀測時，慧眼望遠鏡剛剛試運行2個月。
圖4：第二台南極巡天望遠鏡AST3-2
AST3-2是我國在崑崙站安裝的第二台南極巡天望遠鏡(圖4)。其有效通光口徑50釐米，是南極現有最大的光學望遠鏡，並且完全實現了極端環境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學對應體探測等天文前沿研究。
來源 | 中國科學院高能物理研究所、中國科學院紫金山天文台