中子星、合并、引力波之间有什么联系

伤我心太深

　　引力波来自中子星合并，中国专家详解发现与观测过程

　　央广网北京10月18日消息 据经济之声《天下财经》报道，包括我国在内的多国科学家联合宣布，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，同时探测到由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。我国包括南极巡天望远镜AST3-2、国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在内的多台设备参与观测引力波事件。





　这张由美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A. Simonnet提供的效果图显示的是两个合并中的中子星。新华社 图


　　什么是中子星?《漫步到宇宙尽头》的作者、中国科学院国家天文台副研究员李然说：“两个非常重、致密的天体相互绕转时，就会产生引力波。黑洞是宇宙中最致密的天体，中子星是恒星死亡以后留下的残骸，中子星本身也是非常致密的，所以，两个中子星绕转时也能产生引力波。这次实际上是第一次探测到两个中子星绕转时发出的引力波。”

　　这两个中子星距离我们很远很远，有一种说法是：他们在合并时，恐龙还在称霸地球，而这股引力波到达地球时，恐龙只能在3D电影里看到。

　　对此，李然表示：“其中的意思是它距离我们比较远，但实际上比起之前发现的双黑洞产生的引力波来说要近得多。也就是说，当我们去观察宇宙时，所看到远处的天体实际上是它过去的样子，所以，我们今天接收到的这两个中子星和合并时产生的引力波实际上在很早以前就已经发出了。”

　　这次的引力波是如何被人类测得?又是怎样由70多个机构共同追踪完成?

　　李然表示：“现在全球有两组引力波探测器，一组叫做LIGO，在美国;另一组是欧洲人建的，叫VIRGO;直接探测引力波只能用这两组仪器。这一次是美国的LIGO探测器探测到了引力波，然后人们在VIRGO探测器的信号里也发现了引力波，因为引力波是扫过整个地球的，所以不同的探测器都在相差不太久的时间里都探测到了引力波的信号。过去因为是双黑洞合并，黑洞周围可能只有很少的、普通的物质，合并后可能看不到它发光。因为光没有办法从黑洞中逃离，那么合并形成的新黑洞也很难被看见。这一次是两颗中子星，虽然非常致密，但还它是由普通物质构成，所以在它合并时就会发出光，即电磁波。电磁波不仅在光学波段可以用光学望远镜看到，也会发出伽马射线、X位射线，在高能的波段看到。LIGO和VIRGO这两个探测器探测到引力波后，全球与他们签了协议的望远镜，也都按照其引示，把望远镜指到了天上可能出现引力波的这块地方。70多家单位的仪器有可能看到了引力波的现象，也可能没有看到。”



　　我国的天文机构在这次引力波事件中做了什么?


　　李然说：“在南半球的望远镜相对容易探测到它，中国的南极巡天望远镜AST3-2和其他单位一起加入到了观测当中，它看到了在光学波段双中子星合并以后发出来的光，同时中国在轨道上的X射线天文望远镜也观测了发生引力波的地方，但没有看到什么明显的信号。但有意思的是，在别的波段都看到了，这个波段比较弱，因为两颗中子星合并后产生的物理过程会有较强的限制。实际上在科学上，这个东西没有看到，会产生很多启示。同时，这是全世界第一次看到一个发光的引力波，除了看到引力波以外，还能探测到它发出来的光。LIGO的团队也说，他们并不觉得这70家单位中哪一家重要哪一家不重要，实际上是整个的合作才使得科学发现成为了现实。”

　　科学界也断定，中子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源。

　　李然说：“大家都知道这种很重的元素，因为宇宙刚形成时，只形成了最轻的氢和氦，宇宙中这些最重的元素都是在恒星演化甚至死亡之后残骸的演化中产生的。黄金的重要来源就是双中子星，中子星在合并过程中会产生金这样的重元素。这次有的望远镜看到了在中子星合并的光里面，有重元素发出的光，从这个意义上讲，的确检验了大家以前的理论。”



　　观测引力波的技术和联动机制成熟，是否意味着我们会探测到更多引力波?


　　李然表示：“这次有这么多的望远镜都去看，说明此机制运行起来还是很有效的。而且现在因为发现的这些合并的现象光比较亮，那么，以后发现的中子星如果还是这么明亮的话。LIGO马上要进行下一次的升级，所以，在未来的一段时间里，不会再给出新的数据。升级后它探测引力波的能力会更强，希望未来人类能看到更多的引力波事件。



　　去年科学家探测到了来自太空的引力波，引力波本质上是空间的波动。我们知道向水面扔一块石子进去，水面就会有波动。空间在爱因斯坦的相对论里是可以弯曲的，比如说在空间里存在一个黑洞，那么黑洞周围的空间就是扭曲的。那么如果有两个黑洞在这个空间里，它们彼此快速旋转，其周围的空间一定是不断地快速变化，随着时间产生不同的弯曲形式，这样不断变化空间的形变就会向远处传播开去。就好比我们如果只是在水里静静的放一块石头，水面是不会有变化的，如果把石块扔进去，就会产生可以向远处传播的涟漪。


　　那么，当引力波传播到地球上时，就会微微地弯曲地球上的空间，这种弯曲的形式是先向一个方向挤压，然后往另一个方向拉伸，这样的话就会出现这样的情况：比如两个互相垂直的尺子，其中一个会变得扁一些，另外一个会变的长一些。实际上引力波探测器就是利用这样的原理去探测引力波。美国的LIGO探测器实际上是有两束相互垂直的激光束，可以测量两点之间的距离。原本两点之间的距离应该是一样的，那么当引力波传过来时，一个方向的距离和另一个方向的距离就会发生变化，通过这种变化就知道地球的空间被微微地弯曲了，从而得知有一个引力波从地球上经过了。”


　　向永夜投去萤火：关于发现中子星引力波，我们该关注什么?


　　大家好，给大家介绍一下，这是引力波领域一年多取得的微小成绩：


　　5次捕获引力波信号、1次获得诺贝尔奖、牵动数十个国家开展相关计划、调集1000多个机构投入研究，以及永远不可逆地改写了人类历史。
　　去年2月公布LIGO成功捕捉引力波的时候，其实就已经预定了诺贝尔物理奖。问题只是去年还是今年颁奖而已。连以慎重著称的诺尔贝，都必须最快速度给引力波颁奖，也从侧面证明了这件事的意义。





　　就在刚刚过去的10月16号，引力波探索又一次搞了个大新闻。在LIGO的牵头下，这次全世界70多架天文望远镜，从各个角度观察到了两颗中子星合并发出的引力波。其中就包括中国的南极巡天望远镜和中国第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜。

　　大多数人更愿意为“第一次”鼓掌。这次全球天文界共同搞出的“大新闻”虽然是人类第5次捕捉引力波，但价值依旧非凡。这里我们用几个问答来总结一下它的意义，希望能够帮助大家在不必弄懂复杂物理与天文学理论的情况下，尽可能了解发现引力波之路的真实脚步。

　　毕竟在前往广袤未知的航程中，每一点萤火都难能可贵。

　　什么是引力波?


　　去年到现在，介绍引力波的文章已经不胜枚举，但为了文章的整体性，咱们还是先来了解一下大名鼎鼎的引力波。
　　根据爱因斯坦的广义相对论，物质会在时空中产生影响。最出名的那个例子就是，你家楼上的时间会过的比你家的时间快。这是因为地球本身的质量影响了时空曲率，越靠近地球受到它的影响就越大，时间就会流失的慢一点——当然，这个一点是绝对没可能被人类感觉到的。

　　地球对时空施加的这种影响，就是地球的引力波——也就是所谓时空的涟漪。




　　(广义相对论认为：时空就像一张薄膜，而物质改变了时空的形状)


　　在100年前，这只是爱因斯坦的一个假设。因为引力波实在太小了，根本无从验证它是否真的存在。我记得很清楚，小时候读介绍广义相对论的科普读物，都是言之凿凿地认为引力波只是设想。虽然有很多实验尝试验证它，但距离真正的实验结果出现遥遥无期。

　　黄粱一梦，一转眼不可能变为了现实。

　　最终人类验证引力波的方案，是借助宇宙中巨型天体的碰撞。毕竟地球太小了，所发出的引力波微不足道。而且就算够大，也不能把地球炸了做次实验吧。所以质量比太阳大几十倍的黑洞碰撞，以及这次发现的中子星合并，成为捕捉引力波的最佳途径。

　　即使如此，这些天体剧变产生的引力波也只会经历上万光年之后，在地球停留短短的一秒。那么问题来了，人类怎么捕捉它呢?



　　LIGO如何捕捉引力波?


　　今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家，贡献在于从不同方面帮助建成了捕捉引力波的装置LIGO。

　　相比于“观测”，确实“捕捉”一词能够更准确的形容LIGO的工作。

　　所谓LIGO，全称是“激光干涉引力波天文台”，这个名字也阐明了这个跨时代发明的工作原理。简单来说，LIGO是应用光学中的干涉现象，通过发射出多次反射的大功率激光，一旦环境变化，激光的相位会相应变化，就产生了记录波频的干涉条纹。

　　每台LIGO，都是由两条4公里长的手臂组成的L型仪器。引力波经过时，时空产生微小的晃动，两条臂的结构就会产生变化，从而反映在激光束上。改进后的LIGO，可以测量万分之一个质子直径尺度上的变化，堪称人类精度最高的仪器之一。并且其系统还在持续升级，预计会在2021年达到设计中的巅峰测量精度。





　　(荒野上壮观的LIGO)


　　美国目前共有两台LIGO投入工作，分别位于美国的西北和东南方，相距3000公里。假如两台设备共同记录下了同样的波频，才能确信是引力波无误。人类历史上发生过好几次测量到虚假引力波的乌龙事件，而LIGO能够一举说服学术界，也是因为两台超大型设备共同验证的结果。




　　(人类首次捕捉到的引力波信号)


　　LIGO的成功绝非一日之功。在70年代，麻省理工和加州理工学院等几个科研机构就开始纷纷开始了探索引力波项目。但各自为战造成了资源不集中，无法建成大型精密仪器。1984年，两所院校决定将资源和人才结合到一起，共同打造LIGO项目。1990年，美国国家基金会批准了LIGO计划，此后经历数次计划调整，直到1999年LIGO才得以建成。




　　2000年到2010年，LIGO收集了10年数据，结果却依旧没有证明引力波的存在。随后又开始了5年的大规模检修和升级。终于，升级版的LIGO一战成功，在爱因斯坦提出广义相对论100年整的时候证明了这条时空深层的法则。


　　从立项到成功，LIGO经历了30年，只为了证明一个很可能不存在的假说。科学的代价和勇敢，在两台无比精密复杂的仪器中得到了最好展示。



　　此次发现中子星合并引力波意义何在?


　　由于引力波是一种不生不灭的能量震动，所以宇宙各个方向的天体剧变送来的引力波应该是源源不断的，一旦人类掌握了捕获这条信息的知识，后续用其指导天文学和实验物理学的多元探索也就成为了可能。


　　而这也是这次中子星合并引力波被发现带来的最大启示。


　　此前LIGO捕捉的引力波，都是黑洞合并过程中产生。但是黑洞合并并不会抛出元素以及产生电磁现象。这就让人类无法判断引力波与元素生成、电磁效应之间的关系。
　　而这次捕捉到中子星合并产生的引力波，就填补了这一领域的空白。中子星合并会产生复杂的电磁辐射，还很可能关系着金、银等超铁元素的产生原理，这对于人类认识宇宙与元素都有着重要的意义。




　　抛开学术上的价值，这次发现更重要的意义在于让LIGO系统和欧洲版的引力波探测系统Virgo，与全球范围内的地面天文望远镜、空间天文望远镜产生了协作。因为中子星合并不仅能够释放引力波，更可能产生各种光子、红外线、X射线条件下的可观测现象。所以LIGO在捕获引力波后，极短速度通知了1000多家天文机构，调动70多台大型天文望远镜对1.2万光年外进行了观测。堪称天文界的全球狂欢。

　　这次观测成功，意味着以后这种模式很可能成为常态。发现引力波，表示黑洞一类的巨型天体在发生变化，跟随引力波的来源，人类可以集中力量观察这些宇宙中的庞然大物，揭开关于时空的谜题。
　　换句话说，引力波观测将开始同天文观测体系融为一体，进化出听觉视觉完备的整体感知能力。


　　下一步要做什么?

　　这次对中子星合并引力波的捕获，证明了引力波探测装置不仅可以观察黑洞变化，也可以适用于其他天体。这或许将成为一个开端，标志着用引力波探测多种天体变化的尝试陆续启动。
　　接下来最可能在短期内实现的，是用同样的技术手段观察到黑洞与中子星合并产生的引力波。这意味着人类将开始探索黑洞吞噬星体时会产生怎样的能量变化，能量和元素产生怎样的改变。甚至可能启动关于“暗物质”的观察和研究。




　　而接下来引力波的探索有两个主要方向：一是去探索更加微弱的引力波，比如白矮星等天地合并产生的低频引力波。这对于人类研究恒星和星系意义非凡，但目前的精度技术还无法满足这种需求。

　　另一个更伟大的目标，是尝试收集宇宙大爆炸产生的原始引力波。因为引力波不死不灭，所以原始引力波很可能还孤独的回荡在宇宙中。找到他们，或许标志着人类开始认识宇宙的起源与物质的创生，更有可能开始探测光产生之前的原始宇宙。当然，这要求的技术难度更大，不知何时才能实现。但话说回来，人类总是善于给自己惊喜。



　　在研究方向之外，另一个可预见的未来是研究引力波的各种计划将陆续展开。目前欧洲、日本、印度都在修建新的类似LIGO的引力波观测设备。而中国也开启了“闪电计划”等引力波观测与研究项目。


　　在耀眼的成绩和国家间的竞争性投入下，引力波的黄金时代已经必然开启。这里有一个时间节点十分值得期待。那就是2020年到2021年间，LIGO的捕捉精度将达到设计中的巅峰值，大量各国的空间天文望远镜、高能区探测卫星，都将配合LIGO升级的时间点进行筹备。届时，人类对宇宙的认知或许会获得一次小飞跃。
　　很可能一段时间之后，人类的目标就不再仅仅是感知引力波，而是进一步窥探时空涟漪背后的真相。


　　探索引力波对普通人有价值吗?


　　最后，或许我们还是无法免俗，要来讨论一下探索引力波的所谓“商业价值”。

　　毕竟时空这种事对于普通人太远了，更多时候一个人不会考虑发现电磁波的意义与学术价值，而是会考虑手机信号怎么样。
　　虽然引力波本身太过前瞻，难以在短时间内看到应用价值。但在探索引力波中科学界做的不懈努力，其实是很可能转化为民用的。
　　比如LIGO在30年的建设中，为了保证极致的精度、极强的抗干扰能力、去噪能力，完成了大量技术突破。要知道，地壳运动的震颤、数千公里外海浪拍打岩石的声音、温度的略微上升，都可能对LIGO的探测造成影响。在精准这件事上，引力波探索不断挑战着人类的极限。

　　而LIGO中的很多精度技术，未来很可能转化到半导体行业，成为芯片等高精度制造行业进一步进化的基石。比如超细的晶体管如何抗干扰等等，都已经在探索引力波的过程中被人类征服。




　　此外，引力波的精度捕捉技术也可以转化为民用和军用的精准定位技术，成为无人化机械、无人驾驶，以及极端条件地形感知的技术突破。
　　引力波探索中，还衍生了人类对激光和呈像的全新理解。很多技术可以应用到生物医疗、工业生产和3D打印等领域。
　　在另一个维度上，由于引力波通过地球是瞬时性的，如何在短时间内调动全球的天文设备也是科学界的重要课题。随着这次观测的成功，天文级的全球传感能力和协同工作系统将会进一步完善，这也是民用领域急需的技术。


　　对于人类而言，探索未来和享受现在总是相辅相成的。探索引力波，或许不是一件完全离我们很遥远的事。


　　引力波本身对普通人有价值吗?


　　在讨论引力波时，很多人都会提到电磁波的例子。当人类意识到电磁波存在时，并没有感觉它有什么用，也无法看见未来微波炉、手机、航空、计算中必须要用到它，更不会知道电磁波变成了未来人类每天都无法离开的存在。

　　而引力波的发现，很可能将重复这个故事。


　　当然了，可以明确的是，引力波绝不是电磁波同一个等级的发现。因为引力波展示的是关于空间、时间和物质的真相。当人类真正应用它的时候，很难想象会发生什么….
　　跨维度?时间旅行?宇宙通讯?随意改变物质?谁知道呢，未来之所以魅惑，就在于它的未知永远大于已知无数个量级。
　　引力波本身对普通人肯定是有价值的，这毫无疑问。亲们要好好锻炼身体等到那一天哦。



　　中子星并合的威力可以甩出重达300个地球的黄金



　　双中子星即将碰撞时的神奇景象。(图片来源：NASA)


　　北京时间10月16日晚上10点，美国国家科学基金会、欧洲南方天文台、中国中科院紫金山天文台等机构同步召开新闻发布会，宣布第一次同时“听到”和“看到”来自双中子星并合的一次引力波事件。


　　那么中子星是什么?引力波是什么?光学对应体又是什么?最重要的是，这和日常生活有什么关系?接来下我们来一起看看文章的内容：
　　中科院紫金山天文台工作人员展示2017年8月18日南极巡天望远镜AST3-2观测窗口期观测引力波光学对应体模拟演示图片。 科学家们这次证实了，中子星并合，是宇宙中比铁还重的元素的起源，比如我们熟悉的金子。换句话说，中子星并合，是宇宙的大型炼金炉!


　　宇宙中的金子，从何而来?


　　长久以来，科学家们都无法确定宇宙中的金、铂、铀等重元素从何而来。

　　宇宙早期只有氢、氦等氢元素，一颗恒星的命运就从这里开始。在恒星随后的演化过程中，随着核聚变反应，质子数更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚变，最重只能产生到包含26个质子的铁元素。这是因为，铁元素的核子结合能到达了一个顶峰，把其中的质子和中子拆开，需要极高的能量，恒心内部这个“炼金炉”，并不能满足。


　　科学家们一度认为，恒星寿命末期的超新星爆炸，足够提供这种能量。然而，这个假设逐渐被后续的发现击破。



　　宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。

　　在过去几年间，天文物理学家们开始形成主流认识：中子星并合是最有说服力的机制。


　　中子星的密度有多大?一茶匙重达10亿吨


　　当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。中子和质子一样，都是组成原子的粒子，但呈电中性，比质子略大。

　　中子星的半径普遍在10公里左右，质量却可超过两个太阳。一茶匙中子星物质就重达10亿吨。

　　1933年，人类发现了中子。次年，美国物理学家沃尔特·巴德(Walter Baade)和瑞士弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)提出了中子星的假设。
　　1967年，24岁的剑桥大学女研究生乔斯林·贝尔(Bell)从射电望远镜中发现了一些有规律的脉冲信号。这类新的天体后来被命名为脉冲星，其实，它们本质上是高速旋转的中子星，在旋转过程中周期性地发射出电磁波。

　　中国贵州“天眼”射电望远镜近日成功捕获到了脉冲星信号，标志着中国进入脉冲星观测俱乐部。
　　两颗中子星围绕共同的中心旋转，就构成了一个双中子星系统。它们在旋转过程中会不断释放引力波，导致系统的能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，发生并合。科学家们现在还不确定并合后的形态，很可能是一个黑洞。


　　并合：电光石火，金银迸溅


　　超铁元素就诞生在此时。双中子星并合过程中，不断甩出一些中子星碎块——大部分是中子，少数是质子。
　　在碰撞发生的一秒钟内，这些中子星碎块扩散到数十公里开外，形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中，中子和质子们互相俘获，形成大量富含中子的不稳定的同位素。中子会迅速衰变为质子，形成金等重元素。
　　据估计，中子星的一次碰撞，能够形成足有300个地球那么重的黄金。这些“宇宙焰火”的余烬，被撒入广袤无垠的宇宙，其中一部分在46亿年前与地球凝为一体。它们又被开采锻铸，成为人类手中的金币，项上的首饰……


　　这次为中子星并合形成重元素提供重要佐证的，就是并合后的光点颜色由蓝变红，与理论模型预测相吻合。



　　“宇宙焰火”的余晖



　　这个越来越红的光点，就来自“光学对应体”：Li-Paczynski macronova(巨新星)。

　　该现象由1998年首次预言的中国天文学家、北京大学教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。
　　2010年，普林斯顿大学的Metzger与合作者发现该现象的亮度能达到新星的1000倍左右，因而也被称为“千新星”。
　　除了可见光和红外线外，中子星并合时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马短暴，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内，这场大并合仍会继续发出其他频段的光，包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等，是“宇宙焰火”漫长的余晖。


　　回到事件的开头。在这场“炼金”的“宇宙焰火”中，引力波扮演了怎样的角色呢?


　　原来，前面提到的可见光、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线等，都是电磁波，是由光子承载的光学信号。长期以来，这几乎是科学家们用于感知宇宙的唯一一扇窗口。
　　而引力波是由质量引发的时空扭曲，被人形象地比喻为“时空的涟漪”。当我们想象一件有质量的物体落入水面，就会产生一系列振动传播看来。我们的宇宙也如水面一般，整体平静，暗流汹涌，质量的扰动会触发引力波，散播开来。中子星并合事件，就能产生较为强烈的引力波。
　　引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论，然而，因宇宙中传到地球的引力波过于微弱，爱因斯坦本人也想不到探测的方法。这个“时空的涟漪”，最终在2015年由LIGO团队实现。
　　LIGO过去4次观测到的引力波，均由黑洞触发。黑洞吸收光线，可谓“听到看不着”。这次，LIGO在识别出比黑洞质量小得多的天体——中子星触发的引力波信号后，全球70多架望远镜纷纷指向1.3亿光年外的NGC 4993星系，观看“焰火”。
　　从此，人类对浩瀚宇宙的感知方式，从单纯的“看”之外，又增添了一种，可相互印证。科学家们称之为，“多信使天文学”时代。
　　这或许比我们找到金子的起源更为重要。