作者：王善钦 南京大学，加州大学伯克利分校
编辑：明天
编者按：
这两天，南京紫金山天文台、欧洲南方天文台、清华大学LIGO工作组，澳大利亚OzGrav团队……全世界数十家天文机构相继宣布，准备同时发布重大消息。发布会的邀请甚至用到了“前所未有”（Unprecedented）这样的描述。
天文圈炸了！发布会之前，科学人邀请天体物理学博士生王善钦与刘博洋，来给大家讲讲，是什么让全世界的天文学家都嗨起来了。
明天，科学人将携众位大咖，给大家揭秘这次天文界的狂欢。明晚10点，敬请期待。
2017年8月18日上午，德州大学奥斯汀分校的著名天文学家J. C. Wheeler 发了一条推特，声称LIGO发现了新的引力波源，这个源伴随着一个光学对应物。
随后，华盛顿大学西雅图分校的天文学家Peter Yoachim也发了两条推特，说天文学家在距离我们约1亿光年的NGC 4993星系发现了引力波及其光学对应物，它们由两个中子星并合后发出。
这次的引力波从哪儿来？即使忽略Yoachim所说的“由两个中子星并合”这条信息，仅根据“引力波”、“光学对应物”、“1亿光年以外（银河系之外）”，我们就可以先用排除法来确定传言的引力波的来源了。当前的引力波探测器能够探测到的引力波有以下几类来源：
黑洞-黑洞并合，超新星不对称爆发，黑洞-中子星并合，或者，中子星-中子星并合。黑洞-黑洞并合几乎不可能有光学对应物，排除。超新星不对称爆发只有发生在银河系内部才可以被观测到，排除。因此，只剩下两种可能性：黑洞-中子星并合，或者，中子星-中子星并合。
如果Wheeler等人的传言属实，那就意味着，人类探测到了中子星-中子星并合所发出的引力波。黑洞-中子星并合，或是中子星-中子星并合，都会产生极其丰富的天文现象（相比之下，黑洞并合几乎只能是引力波，而不会伴随其他现象），不仅会引发一轮观测的狂潮与狂欢，还将是天文学上一个伟大的里程碑。因此，《自然》杂志对这三条推特内容表示出强烈的兴趣，在8月24日进行了报道。
最近一些天的传言则说，2017年10月16号，相关小组将会召开新闻发布会直播，同时会有大量相关论文公布。在发布会大新闻刷屏出现之前，我们来预测一下，Wheeler与Yoachim提到的“光学对应物”到底是什么？为什么可以根据引力波与其光学对应物推测出这是与中子星有关的并合爆发事件？为什么说这个发现是天文学的一个新纪元？
黄金和白银的起源
苏联著名物理学家Laudau在1932年首次提出中子星的假说，到1967年，英国科学家Bell的观测才证实了存在中子星的假说。中子星几乎完全由中子构成，比普通物质致密得多。它们的半径虽然只有大约10千米，但却可以比太阳还重一些。典型的中子星质量大约是太阳的1.4倍，最大质量大约有2到3个太阳的质量（精确数值至今尚未确定）。
如果一个双星系统由中子星-中子星，或者黑洞-中子星构成，它们会绕着共同的中心旋转。根据爱因斯坦的相对论，旋转的过程会不断辐射出引力波，导致系统能量降低，轨道缩小。经过大约几亿年，双星系统撞在一起，释放出猛烈的引力波。
两个中子星绕转过程中，发射出引力波，轨道缩小。图片来源：NASA
1974年，德州大学奥斯汀分校的Lattimer 与Schramm提出，黑洞与中子星并合，会使一些中子星碎块被甩出，这些碎块内部会发生快速中子俘获过程，形成大量重元素。中子星与中子星的并合也会导致一部分中子星碎块被抛洒到太空之中。
两颗中子星并合的数值模拟可视化图。图片来源：参考文献[1]
那些逃离的中子星碎块的质量在太阳质量的0.001倍到 0.1倍之间，速度大约是光速的0.1倍到0.3倍。这些中子星碎块迅速解压、膨胀，并形成大量放射性物质。后来的更仔细研究认为，地球以及宇宙中其他地方的金、银、铀等重金属大多是黑洞-中子星并合以及中子星-中子星并合抛出的碎块中形成的。据估计，中子星的一次碰撞，抛出的碎块中形成的黄金足有300个地球那么重[2]。也就是说，你的金戒指或者金项链里面，大部分黄金是至少几十亿年前中子星与中子星或黑洞碰撞后的碎块里产生的。这些碎片被撒入广袤无垠的太空中，其中的一部分与其他大量物质在46亿年前凝成了我们的地球。
“千新星”
比金银起源更重要的发现
1998年，普林斯顿大学的李立新教授与已故天文学家Bohdan Paczyński 教授发表了一篇研究中子星-中子星并合后抛出的中子星碎块的辐射性质的论文。
他们的研究表明，这些碎块内部形成的大量放射性元素发生衰变与裂变，释放出大量的伽玛射线和高能电子，将整团物质加热到上万度，发出大量光芒。这个行为类似于超新星，但持续时间短得多，仅有一两天。2005年，加州理工学院的Kulkarni 教授也研究了这类现象，将这个现象命名为“巨新星（Macronovae）”。
2010年，普林斯顿大学的Metzger与合作者进一步研究了这类事件，考虑了更复杂的一些过程，发现它们的亮度低于超新星，但大约为“新星”亮度的1000倍。根据Petrosian 的建议，他们称这类现象为“千新星（kilonovae）”。这些千新星亮度大约是太阳亮度的几千万倍。
2013年3月，加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室的Barnes与Kasen重新计算了中子星抛射物中形成的重元素的不透明程度，发现不透明程度比之前小组计算的值高几十倍以上。经过这个修正，它们发现“千新星”的温度只有几千度，且辐射大部分集中于红外波段与红色波段。
2013年6月，在Barnes与Kasen的结果在公布仅仅3个月后，哈勃太空望远镜上面的红外照相机就首次发现了一颗千新星，它的辐射果然集中在红外线区域！（与此类似的另一次事件是，1996年6月，宾州州立大学的著名天文学家Mészáros与剑桥大学的著名天文学家Rees公布了一篇论文，预测并计算了伽玛暴的光学余辉与射电余辉。八个月后，科学家就真的观测到了伽玛暴的X射线，光学余辉与射电余辉。）
红色点（尽管只有一个点）为第一个被确认的千新星的数据点，两条先上升再下降的橘黄色线分别是0.1个太阳的喷射物形成的千新星与0.01个太阳的喷射物形成的千新星的亮度演化曲线，它们包围的区域都是理论上允许的，千新星的观测点落在理论预测的范围之内。图片来源：参考文献[3]
引力波与千新星
早在引力波探测器有能力探测引力波之前，就有许多学者提出，将来的引力波探测器一旦探测到涉及中子星的并合事件，光学望远镜就可以探测到伴随的“千新星”，并利用千新星的精确定位来确定引力波发生的精确位置。2013年发现的那颗千新星显然应该是中子星-中子星系统或者黑洞-中子星碰撞产生的。但是，对比引力波探测器的观测能力，它太远了。即使现在的引力波探测器也探测不到伴随它的引力波。
如果发生碰撞中子星-中子星系统或者黑洞-中子星离地球足够近时，它们发出的引力波会被地球上的探测器探测到，它们抛出的碎块形成的“千新星”也可以被普通的光学望远镜观测到。
天文学家Peter Yoachim在推特里说，这次发现引力波的NGC 4993星系距离我们1.3亿光年，这个距离，确实是足够让天文学家同时观测到这两类现象的。因此，Wheeler和 Yoachim 提到的“引力波的光学对应物”，指的自然就是“千新星”。
天文学家的丰盛晚宴
黑洞/中子星-中子星并合
同时发现了引力波与光学对应体（千新星）只是天文界如此激动的原因之一。天文学家激动的另一个原因是，黑洞/中子星-中子星并合还会产生其他多类现象。根据现有的理论，黑洞/中子星-中子星并合之后，大部分物质直接融入新的中心天体（基本上为黑洞）之中，但有一小部分物质被抛出。
这些被抛出的物质又有两种命运。其中一部分逃逸到太空，成为千新星。这些物质在运动过程中，与星际介质相互作用，会加速星际介质中的电子，发出射电辐射。
另一部分物质在黑洞周围形成一个盘或者环，落入中心，构成一个“黑洞-吸积盘”系统。这个系统会在黑洞的旋转轴方向形成喷泉一样的“喷流”，喷流内部形成伽玛射线暴（伽玛暴），持续时间一般不超过2秒（短伽玛暴）。喷流继续在太空中前进，与星际介质相互作用，产生X射线、光学、射电等多波段辐射，这就是伽玛暴的余辉。
因此，黑洞/中子星-中子星并合，理论上至少产生五类现象：引力波、千新星、千新星扫除物质发出的射电辐射、短伽玛暴，和短伽玛暴的余辉。
黑洞/中子星与中子星并合之后，产生的丰富现象。图中BH表示黑洞；GRB表示伽玛暴；Jet-ISM shock（afterglow）表示喷流-星际介质冲击波产生的余辉；optical（hours days）表示持续几小时到几天的光学余辉；两处Radio（years）表示持续几年的射电余辉或者射电辐射；Kilonova （t≈1d）表示持续时间约1天的千新星辐射（此图为2012年制作，2013年的新结果表明千新星会持续十几天）；Eject-ISM shock 表示千新星物质与星际介质碰撞产生的冲击波。右上角的眼睛表示观测者，虚线表示视线。图片来源：参考文献[4]
从上图可以看到，发现千新星和引力波，不一定就会发现短伽玛暴。因为伽玛暴像手电筒的光一样具有方向性，如果没有朝着地球，我们就无法发现它们。但反过来，发现短伽玛暴，就很有希望观测到千新星。前提是，有足够灵敏、强大的红外与光学望远镜。2013年首次被发现的那颗千新星，就是在发现一个短伽玛暴之后，跟踪观测之后发现的。
这次天文学家观测到了什么？
为什么说这次是盛宴？这次的引力波事件，上述五大类现象至少有两类（引力波、千新星）已经被发现了。那么，这次发现了伽玛暴了吗？国际时2017年8月17日12:41:06.47，NASA的伽玛射线望远镜“Fermi”探测到一个伽玛暴[5]。这个伽玛暴随后获得了编号：GRB170817A（GRB是伽玛暴的英文缩写，数字表示年月日，A表示这是这一天探测到的第一个伽玛暴）。
这是一个持续时间大约为2秒的“短伽玛暴”，它正好就在这次传说中的引力波所在的NGC 4993星系内。
过去一些天，一些国外媒体的新闻就猜测GRB170817A就是伴随着引力波及其光学对应物（千新星）的短伽玛暴[2]。而且，要注意，就在这个伽玛暴被发现后的第二天（8月18日），Wheeler就发推特。说LIGO发现了伴随光学对应物的引力波。8月17日之后，地球上大量光学望远镜和太空上的一些重要望远镜都对准这个星系进行了后续观测。例如，哈勃太空望远镜的日常报告第7710号的列表中，就记录了第15382项目：观测GRB170817A的紫外光谱[6]。
种种迹象都表明，GRB170817A极可能是与引力波以及其光学对应物一起出现的短伽玛暴。它的多波段余辉也可能被深入研究了，只是现在相关结果还处于保密状态，没有公布。
这个发现的另一个重大意义在于可以直接确定短伽玛暴的起源。短伽玛暴的来源多年来悬而未决，2013年根据千新星与伽玛暴同时同地出现这一事实，人们已经间接证明短伽玛暴来自中子星-中子星或者中子星-黑洞并合。如果这次如果真的发现引力波、千新星、短伽玛暴来自同一个爆发，那就首次直接证明了：至少一部分短伽玛暴来自中子星-中子星并合或者中子星-黑洞并合。
天文界的又一波狂欢
我们可以相信，伴随一个光学对应物的引力波确实被发现了，二者来自中子星-中子星并合或者黑洞-中子星并合。针对引力波的分析会给出双星的质量，从而判断出到底是哪一种。但无论是哪一种，都一样重要，都将是“多信使天文学”的一个伟大里程碑。
所谓的“多信使天文学”，指的是通过引力波、电磁波、高能宇宙线、中微子中的两个或者多个进行联合观测。2015年前，引力波的观测是缺席的；2015年到不久前，探测到的引力波事件都是黑洞-黑洞并合，没有令人信服的电磁波对应物被探测到。这次传说中的引力波首次实现了引力波与电磁波各波段的联合观测。
10月16号的发布会将给过去一个多月的传言一个最终的判决。即使这次的传言为假，将来美国的LIGO和欧洲的Virgo会继续联合观测，每年都会发现这类并合现象。而大量光学望远镜、伽玛射线卫星/飞船、X射线天文台、射电望远镜都将投入到后续观测之中，引发一波又一波观测的浪潮。对一些近距离的碰撞与爆炸，中微子天文台也将加入观测队伍。多信使天文学的时代正式到来，我们会经常看到“引力波-千新星”以及“引力波-千新星-伽玛暴-余辉”的联合观测。
天文学的下一个盛宴与狂欢才刚刚开始。
作者名片
排版：晓岚
题图来源：NASA
参考文献：
1. Bauswein, Goriely, & Janka. ApJ, 2013, 773: 78
2. Nadia Drake, Strange Stars Caught Wrinkling Spacetime? Get the Facts.National Geographic, 2017.
3.Tanvir et.al, Nature，2013, 500: 547
4.Metzger & Berger. ApJ, 2012, 746: 48
5.gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/21520.gcn3
6. www.stsci.edu/public/hst_status/hst_status_2017235_7710.html
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