当中子星碰撞时！

汪雨甘捍

（）据美国宇航局（宇宙网络团队）：重力一直在兴风作浪——毫不夸张地说。2017年10月，诺贝尔物理学奖因两年前首次直接探测到引力波而获奖。也是在同一个月，天文学家宣布了引力波领域的一项巨大进展:他们首次观测到了来自同一源头的光和引力波。让我们看看发生了什么。



在这幅插图中，两颗中子星即将相撞。图像：美国国家航空航天局戈达德航天中心

在一个星系中有一对绕轨道运行的中子星（称为NGC 4993）。中子星是大质量恒星（质量超过太阳8倍的恒星）破碎后的残余内核，这些恒星很久以前作为超新星爆炸。在这个星系中，在我们能看到的所有星系中，有许多这样的双星对，但这对特殊的双星即将发生一些特殊的事情。



引力波传播动画。图像：R.赫特/加州理工/JPL

每次这些中子星绕轨道运行时，它们都会因引力波而损失一点点引力能。引力波是时空中的扰动——宇宙的基本结构——以光速传播。任何改变速度或方向的物质都会发出这种波，就像这对轨道运行的中子星。然而，引力波非常微弱，除非中子星离得非常近，并以非常快的速度相互绕转。



在这幅图中，注定要毁灭的中子星旋转着走向灭亡。引力波（苍白的弧线）消耗轨道能量，导致恒星相互靠近并合并。图像：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

微小的能量损失导致两颗中子星彼此靠得更近，运行速度更快。几亿年后，所有这些微小的碎片累积起来，中子星非常接近。如此之近，以至于…嘣！…他们相撞了。而我们在2017年8月17日在地球上见证了这一幕。



两个合并中子星的插图。荡漾的时空网格代表了从碰撞中发出的引力波。窄光束显示了引力波后几秒钟爆发的伽马射线。物质漩涡云从合并的恒星中喷射出来。图像：国家科学基金会/LIGO/A .西蒙尼特（索诺玛州立大学）

在那次碰撞中发生了一些非常酷的事情，我们预计它们会发生在所有这样的中子星碰撞中。就在中子星碰撞之前，引力波足够强，频率也恰到好处，美国国家科学基金会的激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲引力天文台的处女座可以探测到它们。就在碰撞之后，那些波很快就消失了，因为不再有两个东西相互绕着运行了！

LIGO和处女座是地基探测器，等待引力波通过它们在地球上的设施。当它处于活动状态时，它几乎可以从太空的任何地方探测到它们。



这张插图显示了两颗中子星合并引起的伽马射线爆发的快照。强大的射流（橙色）出现并冲入周围环境，产生冲击波（粉红色）。刚刚出现在中心的是基洛诺瓦，这是爆炸产生的富含中子的碎片（蓝色），由新锻造的放射性元素衰变产生。图像：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

发生的另一件事是我们所说的伽马射线爆发。当它们非常接近时，中子星就会分裂并产生壮观但短暂的爆炸。有几秒钟，我们的费米卫星看到了爆炸产生的伽马射线。费米的伽马射线爆发监视器是我们观察天空的一只眼睛，负责寻找科学家希望在伽马射线爆发时立即捕捉到的伽马射线爆发。

这些伽马射线仅在引力波信号发出1.7秒后出现。发生这一事件的星系距离我们1.3亿光年，因此在我们探测到光波和引力波之前，它们已经传播了1.3亿年。



2017年8月18日，在探测到引力波和伽马射线爆发约15小时后，美国国家航空航天局的尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台拍摄了星系NGC 4993（box）中中子星合并产生的基洛诺娃。插图:银河系的放大图。图像：美国国家航空航天局/斯威夫特

在最初的伽马射线爆发后，爆炸产生的碎片继续发光，并随着向外扩展而褪色。我们的斯威夫特、哈勃、钱德拉和斯皮策望远镜，以及一些地面天文台，准备在紫外线、光学、X射线和红外线下观察爆炸的余晖。几十年来，我们一直在与我们的国际合作伙伴进行卫星之间的协调，因此我们可以尽快在尽可能多的波长内捕捉到像这样的事件。



美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台观测到了与GW170817（方框）相关的基洛诺娃。哈勃探测到了高温膨胀碎片发出的可见光和红外光。九天之后，钱德拉探测到喷向地球的X射线余晖进入了我们的视线。图像：美国国家航空航天局/CXC/埃·特罗哈

天文学家认为中子星合并是一种伽马射线爆发的原因——一种短暂的伽马射线爆发，就像他们在8月17日观察到的那样。直到我们能够将来自卫星的数据与来自Virgo处女座的信息结合起来，我们才能直接证实这一点。



该动画捕捉了2017年8月17日探测到的名为GW170817的中子星合并后九天内观察到的现象。它们包括引力波（苍白的弧线）、产生伽马射线的近光速喷流（洋红色）、产生紫外线（紫色）、光学和红外线（蓝白色到红色）发射的基洛诺瓦膨胀碎片，以及一旦喷流从地球扩展到我们的视野中，X射线（蓝色）。图像：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

那次事件开启了天文学的新篇章。几个世纪以来，光是我们了解宇宙的唯一途径。现在，我们为中子星和黑洞的研究打开了一个全新的窗口。这意味着我们可以看到以前无法发现的东西。



8月17日，来自合并中子星的引力波到达地球。仅仅1.7秒后，美国国家航空航天局的费米望远镜就看到了来自同一事件的伽马射线爆发。既然天文学家可以将我们从同一事件中“看到”的（光）和“听到”的（引力波）结合起来，我们理解这些极端宇宙现象的能力就大大增强了。图像：美国国家航空航天局戈达德航天中心

第一次LIGO探测是对一对合并的黑洞的探测。像这样的合并在宇宙中可能每月都会发生一次，但它们不会产生太多的光，因为黑洞周围几乎没有什么东西可以发光。在这种情况下，引力波是检测合并的唯一方法。

然而，中子星合并有大量的物质发光。通过将不同种类的光与引力波结合起来，我们正在了解物质在最极端环境下的行为。我们正在了解更多关于引力波信息如何与我们已经知道的光相吻合的信息——在这个过程中，我们正在解决一些长期存在的谜团！