清华大学LIGO科学合作组织发布最新引力波研究成果

艺术家对两颗融合的中子星的想象。窄波束代表伽玛暴，而扭曲的时空网格代表合并产生的各向同性引力波。物质的旋转质量是从合并的双星中喷射出来的物质，这可能导致较低能量的电磁信号源。(资料来源:国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/西蒙尼特)

10月17日，清华大学信息技术研究所LIGO科学合作组织工作组发布了引力波探测和研究的最新成果，此前科学家宣布，他们首次直接探测到了两颗中子星合并产生的引力波。

清华大学科学合作组织负责人曹告诉《中国科学》，“这是人类历史上第一次用引力波天文台和其他望远镜同时观测到同样的天体物理事件。这一发现为期待已久的多信使天文学打开了新的窗口。引力波天文学为理解中子星的性质提供了一个新的机会，这是电磁天文学无法单独实现的。”

LIGO处女座的研究结果发表在《物理评论快报》上。由Virgo处女座和其他天文学家共同撰写的一系列相关论文也被《天体物理学杂志快报》和《自然》接受。

双中子星系统的发现

中子星是目前已知的最小最致密的恒星。它们是由大质量恒星演化最后阶段的超新星爆炸形成的。中子星直径约20公里，密度极高。一勺中子星物质可以达到10亿吨的质量。

双中子星为广义相对论提供了强有力的观测测试，包括第一个支持引力波存在的确凿证据。在LIGO发展的早期，双中子星合并被认为是引力波观测的主要目标。

清华大学LIGO科学合作组织的成员范锡龙说，LIGO的数据显示，两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋转，这个天体系统的质量没有双黑洞大。相反，这两个互相螺旋的天体的质量估计是太阳质量的1.1 ~ 1.6倍，这正好是中子星的质量范围。噪声背景分析表明，这种强度的信号是由一致的随机噪声产生的，概率低于每8万年一次。

双中子星系统可以在万有引力的作用下相互吸引和旋转，并发射引力波。最后合并前100秒内发射的引力波信号位于激光干涉仪的敏感频带，因此有机会被观察到。

与此同时，中子星在合并后会发射伽马光子，在引力波到达地球两秒钟后，这个信号也会被观测到。在接下来的几天和几周内，这一壮观的合并事件将继续在其他频段或电磁信号中发光——包括x光、紫外线、可见光、红外线和无线电波。

观测引力波信号

2017年8月17日晚8: 41(北京时间)，观测到一个引力波信号GW170817。这一观察是由两个相同的LIGO探测器完成的。位于意大利比萨附近的处女座探测器提供的信息可以提高引力波事件的空间定位能力。

格拉斯哥大学LIGO科学合作组织的伊克·西翁·亨解释说:“每个探测器都有一个特定的天空区域，来自那里的信号不容易探测到。由于这个信号在两个LIGO探测器上很容易看到，但处女座却看不到，这意味着这个信号来自天空中的某个位置，而这个事实在定位中起着至关重要的作用。”

据了解，LIGO和处女座已经探测到来自双黑洞的四个引力波信号，这在LIGO探测器的敏感频带内只能持续不到一秒。然而，GW170817持续了100秒，横扫LIGO的整个敏感频带，几乎与普通乐器产生的声波频带相同。科学家可以认识到，这个天体源的质量比迄今观察到的所有黑洞的质量小得多。

张思衡说:“在GW170817中，在两颗恒星合并前大约100秒，它们相距400公里，但它们每秒钟旋转12圈。每一次旋转，引力波的辐射都会迫使它们靠得更近。随着轨道的收缩，它们的速度越来越快，引力波的强度和频率也在增加。轨道的逐渐收缩过程称为“旋前”，频率的增加称为“啁啾”信号。这个过程逐渐加速，直到双星合并形成一个单一的遗迹。”

打开多信使天文学的新窗口

引力波网络观测到GW170817信号后1.7秒，费米伽马射线暴监测系统探测到一个名为GRB170817A的伽马射线暴。Virgo处女座团队的快速引力波探测和分析，以及费米望远镜的伽马射线爆发探测，已经开始了全球望远镜的后续观测。

法国拉尔奥赛处女座合作组织的莎拉·安提尔说:“这是人类历史上第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波。这表明了结合引力波、电磁波和中微子的不同研究团队之间合作的重要性，也标志着多信使天文学和时域天文学新时代的到来。”

在第一次探测后的几分钟内，世界各地的望远镜开始忙碌地观察，并不缺少活跃的“中国回来了”中国第一台空间硬X射线调制望远镜的“眼睛”成功地监测到引力波事件发生时引力波源所在的天空区域。中国第二架南极勘测望远镜AST3-2探测到引力波事件的光学信号。

然而，自2009年以来，清华大学信息技术研究所的LIGO科学合作组织工作组已成为LIGO科学合作组织的正式成员，并参与了迄今为止的所有引力波发现并做出了贡献。在过去两年中，工作组在引力波实时在线数据处理和多信使天文学方面开展了算法设计、性能优化和软件开发工作。

曹说:“目前对GW170817还有两个最大的疑问。相关的电磁信号显示，双星系统中至少有一个物体是中子星，但这并不意味着两者都是，所以GW170817也可能是中子星黑洞系统。然而，鉴于与已知中子星质量的相似性，我们仍然倾向于这种解释，而不是双中子星系统。另一个悬而未决的问题是合并后的GW170817会变成什么样。有两种可能性:一种是成为已知最大的中子星，另一种是成为已知最小的黑洞。这些可能性非常有吸引力，将使我们能够继续研究。”