諾獎算個啥 電磁對應體才是我想要的

　　（圖片來源：NASA）

　　此次事件中，引力波、伽馬射線和可見光在天球的位置。放大圖展示了宿主星系NGC4993的位置，包括了來自並合后10.9小時的Swope光學發現圖片（右上方）與在並合20.5天前的圖片（右下方）。LIGO科學合作組織

　　繼三位科學家捧走2017年諾貝爾物理學獎后，引力波科學家又“搞”了個大新聞。北京時間10月16日晚10點，激光干涉引力波天文台（LIGO）和處女座（Virgo）引力波探測器合作組織聯合召開發布會，宣布接收到來自1.3億光年外星系NGC4993的引力波信號。更令人激動的是，引力波信號很有可能來自兩顆並合的中子星，隨后科學家觀測到了並合產生的伽馬射線暴、光學輻射以及巨新星現象，對這次雙中子星合並實現了“引力波+電磁波”的聯合觀測。

　　作為一名圍觀群眾，人們往往會感嘆如此微弱的漣漪在浩瀚的宇宙中傳播了數億年竟然能被人類所捕獲，科學家們用一生的努力做賭注，去挑戰連愛因斯坦本人都不敢想象的探測極限，並最終挑戰成功捧走了“大獎”。但如果問工作在一線的引力波專家們，甚至包括獲得今年諾獎的三位科學家，2017年最值得興奮的事是什麼？是“諾獎”嗎？我想答案多半是否定的。2017年最震動引力波研究領域的事情應該是，2017年8月17日人類第一次探測到雙中子星並合所產生的引力波，並同時探測到了和該引力波成協的電磁波對應體！

　　真正開啟引力波天文學大門

　　引力波信號的直接探測為人類開啟了一個認識宇宙的全新窗口，它必然在二十一世紀掀起一場認識宇宙以及基礎物理的革命。然而，引力波信號自身存在一定缺陷，比如信號十分微弱，信號源的定位誤差非常大，單純地利用引力波探測無法確認信號究竟是來自地球附近,還是來自銀河系內,又或者來自銀河系外。再加上目前探測到的引力波信號都是暫現源，通俗地說就是一次性的，無法重復觀測，因此如果沒有其他信息的聯合探測，那麼引力波的探測就僅僅是引力波探測合作組的一家之言。極端來講，這種情況下如果所有的引力波學家聯合起來，統一口徑，那麼誰又知道站在我們面前的是“鹿”還是“馬”呢？

　　天文學家自然不會同意這種情況的出現。他們指出，目前能夠探測到的引力波事件都對應著黑洞、中子星等致密星體的並合。這種災變性的事件應該通過多種渠道向外釋放能量，引力波是一種，電磁波也應該是一種。

　　天文學發展至今，電磁波段是發展最完善、理論研究最透徹的觀測窗口，也是現有探測手段與探測儀器最豐富的窗口。隻有實現了引力波與電磁波的聯合探測，我們才可以証認引力波源的天體物理起源，並對其天體物理性質，如引力波源的距離，引力波源所在的星系類型等開展進一步的研究，並揭示物理過程的更多本質。最后，通過對比引力波與電磁波信號到達時間差等，可以檢驗愛因斯坦等效原理、廣義相對論等重要物理學原理，等等。從引力波天文學的角度上講，引力波事件電磁對應體的觀測研究意義可相比於引力波信號的直接探測。換句話說，隻有實現“引力波+電磁波”的聯合探測，才是真正意義上開啟了引力波天文學的大門。

　　期待中的電磁對應體

　　引力波究竟是否存在電磁對應體？電磁對應體又可能是哪些呢？這個問題其實早在LIGO剛剛開始建設的時候，就成為天文學研究中的一個熱門話題。

　　地面引力波探測器主要探測目標是恆星級致密星體的並合，即雙黑洞並合、雙中子星並合以及中子星和黑洞並合。理論上通常認為，雙黑洞周圍很難有物質存在，因此雙黑洞並合不會產生可探測的電磁對應體。但是就在LIGO探測到第一例雙黑洞並合引力波事件后不久，美國的費米（Fermi）衛星宣稱探測到了一個疑似的電磁對應體。由於其他望遠鏡都沒有探測到這個源，而且Fermi公布的信號太弱了，所以很多研究小組都在質疑這個對應體的真實性。不過有趣的是，這個事件引發了理論家的思考，人們提出了多種可能的雙黑洞並合產生明亮電磁輻射的模型。這些模型都等待著未來觀測數據的檢驗。不過迄今為止觀測到的4例雙黑洞並合引力波事件，都沒有被探測到電磁對應體。

　　對於雙中子星並合以及中子星與黑洞並合，由於中子星本身攜帶大量的物質，因此人們認為這兩種並合現象會產生多種明亮的電磁輻射信號。具體說來，在並合的過程中，中子星會被撕裂，一小部分物質由於離心力被甩了出去，而大部分物質會向中心沉降並形成一個新的中心天體，比如黑洞或中子星。

　　中心天體形成后，當繼續有物質掉落到中心天體的引力范圍內，引力能的釋放會誘發產生噴流。它沿著新中心天體轉動軸方向噴射而出，速度接近光速。由於能量耗散，噴流會產生從伽馬射線到X射線、紫外、光學、紅外乃至射電的多波段電磁波輻射，這被稱作伽馬暴及其余輝輻射。由於相對論效應，當我們的視線方向恰好在噴流的夾角內時，這些信號才會被探測到。

　　另一方面，由於那一小部分被甩出去的物質以自由中子為主，其內部會產生激烈的核反應過程。這一小部分物質會被迅速加熱並產生熱輻射，其輻射波段集中在紅外和光學波段，大約在天或周的時間尺度上達到輻射峰值。這種輻射被稱為巨新星輻射，幾乎從各個方向都能被探測到，因此成為最被期待的引力波電磁對應體。

　　望遠鏡“組團”展開搜索

　　應該如何去探測引力波電磁對應體呢？有人可能會說，這些信號不是都被理論學家計算好了嘛，那就按圖索驥唄？錯！我們要當作完全不知道電磁對應體長成什麼樣子來搜尋。因為在沒有被探測到之前，誰知道這些被預言的信號是真實存在的，還是僅僅活在理論學家的腦子裡呢？

　　引力波電磁對應體的搜索有兩種途徑，一種是電磁波望遠鏡單獨對盡可能大的天空進行實時監測，並記錄下所有的暫現源的開始時間和位置，通過與引力波事件的時間和位置的對比，找出引力波電磁對應體。另一種是當引力波探測器探測到引力波信號后，快速通知給電磁波望遠鏡，並提供一個大致的位置范圍，望遠鏡通過對這個位置范圍進行逐點掃描。由於並不知道真實的電磁對應體會出現在什麼時候、什麼波段，因此兩種方法都要求參與的望遠鏡足夠多，波段足夠寬，這樣才有可能實現對引力波定位誤差范圍的覆蓋。目前已經有90多個科研機構的超過100多個望遠鏡和引力波合作組簽署了合作協議，隨時待命開展電磁對應體的搜索。

　　第一種方法，要求望遠鏡一次性能夠監測的天空范圍越大越好，最好是全天監測，這樣隻要有對應體出現，就一定能被逮到。目前大監測視場的望遠鏡多是探測伽馬射線或硬X射線的高能望遠鏡，這次GW170817的第一個電磁信號就是在引力波觸發2秒之后，由美國Fermi衛星通過這種方法探測到的短伽馬射線暴信號。這一發現不僅証實了引力波信號的天體物理起源，同時也揭示了困擾天體物理研究領域幾十年的短伽馬射線暴起源之謎。

　　對第二種方法，100多個望遠鏡是遠遠不夠的，因為引力波探測器給出的誤差范圍相對於電磁波望遠鏡，尤其是光學望遠鏡來說太大了。聰明的科學家們提出可以通過建立完備的星系列表，隻針對引力波定位范圍內的星系，分工進行觀測。不過隨著距離的增加，星系個數會急劇上升，因此這種方法隻針對很近的引力波源才有作用。幸運的是，LIGO探測到的第一個雙中子星並合信號GW170817離我們很近，人們利用第一種方法真的在紅外與光學波段找到了理論家預言的巨新星信號。

　　由此，理論家預言的電磁波信號幾乎全部被找到。有理由期待，在這樣一個全新的引力波天文學時代，人類對未知的探索將邁上一個更高的階梯！（高鶴）