这一次重大发现，中国科学家“与全球同步”
北京时间16日晚10时，夜幕下，位于南京鼓楼的中科院紫金山天文台四楼会议室灯火通明，一场与全球多国科学家同步举行的重大新闻发布会正在举行。当紫金山天文台台长杨戟宣布，包括紫台在内的科学家第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号时，人群沸腾了!
宇宙深处传来的“天籁之音”
要言及“双中子星引力波事件”，首先必须了解“引力波”。紫金山天文台研究员吴雪峰介绍说：“引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。”据了解，100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。
在上个世纪40年代，曾有不少物理学家质疑引力波的存在，另外还有大部分的物理学家认为，引力波如此微弱，是不可能探测到的，引力波成为天文观测的最后一块空白。
天体剧烈活动引起的时空扰动，好比在浩渺的宇宙中央投下一颗石子，历经10多亿年漫漫星系之旅，时空的涟漪最终与地球邂逅1秒钟。2016年2月11日，美国科学家宣布探测到引力波，无异于石破天惊，引爆全球关注热潮，因为人类为了这最后1秒的相遇，已苦苦探寻百年。
引力波，被誉为从浩瀚宇宙深处传来的“天籁之音”，它的发现改变了历史，直接探测到引力波相当于完成了对爱因斯坦广义相对论验证的“最后一块缺失的拼图”。这意味着我们不单单能通过电磁波观测宇宙，还能运用引力波。“打一个比喻，电磁波是用‘看’的话，引力波更像是用耳朵去‘听’。”吴雪峰解释说。
截至目前，人类已发现4例由双黑洞合并产生的引力波。2017年的诺贝尔物理学奖，颁给了3名为引力波探测作出重要贡献的美国科学家，引力波天文学的时代正在到来。
全球天文望远镜齐捕“引力波”
今年8月17日，美国激光干涉引力波观测台（LIGO）和欧洲“室女座”引力波探测器（VIRGO）同时发现一个新的引力波信号GW170817。与前4例黑洞合并所产生的引力波不同，GW170817是一个由双中子星合并产生的引力波。全球约70个地面及空间望远镜从红外、X光、紫外和射电等多个波段开展后续观测，确认引力波信号来自距离地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系，两颗中子星的质量均不超过太阳的两倍。
“8月17日，美国LIGO在亚利桑那州和华盛顿州的观测站，以及位于意大利的VIRGO观测站在几毫秒的时间差中，接收到了引力波GW170817信号。”紫金山天文台王力帆研究员介绍，之后1.7秒后，美国宇航局Fermi伽玛射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽玛暴GRB 170817A。就像三颗卫星就可以进行GPS定位一样，LIGO和VIRGO接收到的信号使引力波来源被“定位”在10平方度范围内，大约相当于45个太阳所占据的天区，全球各地的天文机构纷纷行动起来，采用伽玛射线、X射线、紫外、光学和射电等多种手段，对目标区域进行了地毯式搜索。
中子星的质量通常是太阳的1—3倍，而黑洞的质量则通常在太阳的几十倍以上，因此黑洞合并就像一块大石头投进水中，引发的涟漪较大，容易接收，而中子星合并则像往水里扔一块小石头，引发的引力波事件不太容易监测，因此引力波事件GW170817虽然仍然“余波荡漾”，但是因为信号太弱，目前地球上已经无法接收到相关信号。
由中子星合并探寻宇宙“黄金之源”
人类直接探测到引力波，无疑是本世纪迄今为止，在天文学领域最具里程碑意义的重大科学发现之一，就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。引力波事件GW170817的发现，更意味着全球天文界已经可以把引力波探测从前沿手段变成常规手段，也标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
对于天文学家来说，研究宇宙和天体的信息载体，从电磁波延伸到了引力波，不单让现代物理学的根基更加坚实，也意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”，有助于人类洞悉整个宇宙的起源和运行机制。如果找到合适的引力波，人们将有机会为大爆炸等一系列基本物理假设找到证据。到那时，人类会以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。
“中子星合并是宇宙的‘巨型黄金制造厂’，借助引力波探究中子星，可以让人类窥见金、银等超铁元素是如何在宇宙中产生的。”紫金山天文台研究员王力帆介绍说，他参加的国际团队，通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定，此次双中子星合并抛射出1%量级太阳质量（超过3000个地球质量）的物质，这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间，抛射过程中部分物质发生核合成，形成比铁还重的元素。因此，这次引力波光学对应体的发现，证实了双中子星合并事件是宇宙中大部分超重元素（金、银）的起源。
另一方面，在引力波探测的牵引下，将会带动激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展，LIGO的很多技术将对甚至已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。
这一次中国科学家没有错过
身在南京的中科院紫金山天文台博士生胡镭是负责远程监控南极巡天望远镜的工作人员，他第一个注意到望远镜AST3-2“有情况”。
8月18日21：10，即引力波事件GW170817被监测到24小时后，中国科学家利用正在中国南极昆仑站运行的AST3-2展开了长达10天的有效观测，不仅获得了大量重要数据，而且探测到此次引力波事件的光学信号。中国科学家的此次观测可谓克服了重重困难，一方面是天文望远镜架设于南极大陆最高点，而引力波事件GW170817在其观测的边缘区，这意味着需要把望远镜指向距离地面只有二十几度的方向，这已经是AST3-2的极限，一旦卡住就会在南极的夏天被阳光直射造成损害。另一方面，从一片光芒的星系中寻找到双子星合并发出的光学信号难度极大，这相当于在茫茫灯海中寻找一只萤火虫，需要进行特殊的信号处理。
经过几天的数据采集，以及对缓慢数据传输的等待，紫金山天文台南极天文中心的两名博士生胡镭、孙天瑞在国家天文台的博士生马斌和南京大学的博士生梁恩思同学的协作下，调试好了数据分析程序，干扰萤火虫光芒的“灯海”被成功地关掉，8月18日观测图像中的光学信号也终于浮出了水面。随后，紫台吴雪峰研究员和南京大学戴子高教授等对数据进行分析，并计算出此次双子星合并抛射出的物质质量。
国家天文台南极团组负责人商朝晖说，AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜，是南极现有最大的光学望远镜，并且实现了极端环境下无人值守全自动监测。目前，它主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文研究。此次我国南极望远镜成功追踪并独立观测到GW170817引力波光学信号，意味着中国天文设备正加入国际关键天文事件的直接观测。
本报记者 王宏伟 吴红梅
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