世界各地的望远镜什么时候见证了双星的合并，显示了什么？
北京时间6月16日下午10，在华盛顿全国记者俱乐部举行了一场长达两个小时的新闻发布会。LIGO的执行董事David Reitze宣布，LIGO和处女座将在2065438年用激光干扰引力波天文台。它是由两颗质量分别为1.15和1.6太阳质量的双中子星合并而成。根据探测日期，该编号为GW170817，距离我们65438+3亿光年。此外，在世界各地许多天文学家和探测设备的共同努力下，还发现了引力波事件的电磁对应体。
2016年初，大卫·利兹站在同一个地方，宣布人类首次探测到引力波——那时候，我们说一个多信使天文学的新时代即将开启。在GW170817的这次探索中，人类首次同时探测到了引力波及其电磁对应物，可视为引力波多信使天文学时代的真正开始，在天文学发展史上具有划时代的意义。另一方面，两颗中子星的合并通常被视为伽马射线爆发的一种来源，会产生许多不同的观测现象。因此，我们可以通过整合引力波、电磁波等观测手段，对中子星这种神秘天体进行更细致的了解。
图1:两颗中子星合并的引力波和相应的电磁信号首次被人类探测到。
图2:中子星合并产生的引力波信号与之前黑洞产生的引力波信号的持续时间对比。这一次双中子星大约持续了100秒，它只显示了50多秒。
图3:可以看出，LIGO引力波信号的结束时间与伽玛暴的开始时间相差约2秒。
就像我们第一次直接探测到黑洞的引力波一样，双中子星引力波的探测完全是一个意外，来得有点早。此前，基于对双中子星的了解和对LIGO探测灵敏度的分析比较，科学家们估计VIRGO室女座至少在LIGO进一步升级并达到预期灵敏度之前，几乎至少要到2019年才能探测到双中子星的合并。人类提前两年成功探测到两颗中子星合并，这是一个奇妙的惊喜。如果追究原因，除了被探测系统离我们比较近之外，多方面的配合是促成探测成功的重要因素。
1，全球合作，有针对性。
GW170817的侦破过程振奋人心，值得注意，甚至比国际刑警组织的跨洲追捕逃犯还要精彩。
2065438年8月17日，世界各地的天文学家得到一个消息，LIGO和室女座探测器探测到一个新的引力波信号，持续时间约为100秒，其形式与两颗中子星的合并相一致。在引力波信号到达后约1.7秒，美国国家航空航天局费米卫星携带的伽玛射线暴监测仪(GBM)和欧洲积分望远镜携带的SPI-ACS探测器都探测到了微弱的短时尺度伽玛射线暴，并将其命名为GRB170817A。由于时空的一致性，它们被认为与引力波事件有关联(“关联”是指两种现象有关联)。
得知这个消息后，世界各地的望远镜开始忙碌的观测。在不到11小时的时间里，智利的Swope超新星巡天(SSS)望远镜首次在星系NGC4993中观测到一个明亮的光源，该光源被初步确认为其光学对应物，编号为2017gfo/SSS17a。之后，其他几个团队独立检测了光源并确认。
在接下来的几周里，天文学家们使用了一些世界上最先进的望远镜，如钱德拉X射线望远镜，哈勃太空望远镜，位于智利的直径为8.4米的甚大望远镜，以及亚毫米波段灵敏度最高的阿塔卡马大型毫米波阵列ALMA，对这一地区进行了密集的观测。这些观测提供了从合并前约100秒到合并后数周的这一灾难性事件的全面描述，并最终证实了科学家的许多猜想:NGC4993星系中两颗中子星的合并产生了引力波、短伽马暴和数千颗新星。
图4:(左)欧南站几台不同的望远镜看到的引力波源对应的光学图像。(右)哈勃望远镜在不同时间观测到的图像。
这种探索是全球合作的完美体现。然而，正如大卫·利兹在新闻发布会上所说，美国国家航空航天局费米卫星伽马射线爆发信号的探测使这次LIGO探索大放异彩。虽然引力波信号先于伽马射线信号产生，但有趣的是，美国国家航空航天局费米卫星发出的探测信号早于LIGO团队的信号。原因是GRB170817A被美国国家航空航天局费米卫星的GRB监视器探测到，相关警报被自动发送到GCN系统。然而，LIGO的自动数据分析大约需要6分钟——科学家们首先在LIGO汉福德天文台几乎同时的数据中发现了一个引力波事件候选体GW170817，并发现这个引力波比GRB170817A早两秒发生，Virgo处女座快速反应小组随后人工检查了数据。后来科学家在欧洲积分卫星的观测数据中进一步证实了伽马射线暴信号的存在。原本不起眼的伽马射线暴信号，因为与一个强引力波候选共存，一下子引起了整个天文学界的观测兴趣，这个天区也成为了热门的观测对象。
在9月底的第四次引力波大会上，姗姗来迟的处女座已经将LIGO探测器的空间定位范围从1160平方度缩小到100平方度，两者的配合大大提高了空间位置的精度。如果用贝叶斯统计方法进一步估计所有可能的参数，空间位置将进一步缩小到60平方度。这样空间定位全面提升了近20倍。在这次双中子星事件中，三个探测器最终将源定位在28平方度的范围内。正是因为空间定位的精度大大提高，电磁波剖面探测的空间确认才成为可能。
图5:目前探测到的五个引力波空间位置对比图。黄色为最新引力波GW170817确定引力波源的区域。
联合观测的另一个重要意义是快速反应。无论是费米观测到的伽马射线暴，还是VIRGO室女座观测到的引力波，持续时间都非常短，因此其他天文台和观测者需要立即跟进可能的区域，这就需要一个系统立即告知可能的位置信息。
关于伽玛射线暴，在上世纪末BeppoSAX卫星在轨运行期间，该网络已经出现，美国国家航空航天局建立了伽玛射线协调网络(GCN)的邮件系统。一旦卫星探测到伽马射线爆发信号，它会以最快的速度向系统发送伽马射线爆发的位置信息，任何订阅邮件系统的人都可以立即收到提示，以便进行可能的观测。这次费米观测用这个系统以最快的速度通知了全球很多组织，然后很多望远镜也加入了观测。当然，对于VIRGO处女座组织来说，为了保证其可能的后续观测，他们已经与全球近70个观测组织签订了备忘录合同(中国有近10个组织)，一旦探测到引力波信号，他们也会通过自己特有的渠道传递相关信息。
2.双中子星合并比双黑洞合并好看。
发布会上提到，这次探测到的引力波是两颗中子星合并产生的。之前公布的四次引力波事件都是由双黑洞产生的。两者最大的区别是两颗中子星的合并会产生电磁辐射，但对于黑洞，我们通常认为不会，这一点也得到了观测的验证。
是什么造成了这种差异？一般来说，根据天体物理辐射的理论要求，要产生电磁辐射，天体周围必须有气体。对于黑洞系统来说，虽然一开始黑洞周围可能存在大量气体，但在漫长的演化过程中，如果没有更多的气体源，气体在黑洞合并的最后阶段已经消耗殆尽，因此无法产生电磁辐射，只能产生扰乱时空的引力波，就像科学家之前探测到的四次一样。
在两颗中子星合并之前，周围的气体很可能已经被消耗掉了。但是在合并的过程中，会有一些物质以接近光速或者远低于光速的速度被抛出，从而产生我们所看到的各种电磁现象——短时间尺度的伽玛射线暴、伽玛射线暴余辉以及成千上万的新星。接近光速运动的物质产生费米卫星看到的伽马射线爆发，而低速运动的物质产生成千上万的新恒星，这些新恒星被许多光学/红外望远镜捕捉到。
等等，什么是短时间尺度的伽玛暴，伽玛暴余辉，千万颗新星？下面就一个一个说吧。
简单来说，伽玛射线暴就是伽玛射线辐射在天空中某个方向突然变亮的现象，可以说是宇宙大爆炸以来最剧烈的天体爆炸。20世纪90年代初，康普顿伽玛射线天文台在观测了数千个伽玛射线暴后做了一个简单的统计，并根据持续时间将其分为两类:一类是爆发时间长于2秒的长时间尺度伽玛射线暴，另一类是爆发时间短于2秒的短时间尺度伽玛射线暴。深入研究后发现，这两种伽玛暴的起源完全不同。
按照目前的理解，无论是大质量恒星坍缩导致的长时间尺度伽马射线暴，还是双致密星导致的短时间尺度伽马射线暴，虽然中心天体不同(要么是黑洞，要么是极速旋转的磁星)，但伽马射线暴的产生机制和后续演化都可以用一种叫做“火球模型”的理论来解释。在这个理论中，中心天体会在一段时间内产生相对连续的极端相对论喷流，这意味着这些喷出的物质会以接近光速的速度沿着天体的轴向外运动。由于喷出的物质之间存在微小的速度差异，相互碰撞，将其动能转化为气体粒子的热能，然后在磁场的作用下产生我们看到的高能辐射，也就是早期的伽马射线，这就很好地解释了我们看到的伽马暴。大质量恒星产生的喷流时间长，两颗中子星合并产生的喷流时间短，导致我们观测的不同。
这些恒星周围有星际气体介质。喷流物质停止相互碰撞后，会继续向外运动，与周围的气体介质相互作用，将自身运动的能量传递给周围的星际气体。星际气体受热产生强辐射，称为伽玛射线爆发余辉。它的能谱带将从X射线延伸到无线电波段。在某种程度上，余辉的强度与周围星际气体的密度有关。密度越高，余辉越亮。
这次与引力波有关的伽马射线爆发属于短时间尺度的伽马射线爆发，因为费米卫星观测到的爆炸时间尺度是0.7秒。此外，无论是引力波的结果，还是电磁波的观测和拟合结果，都与双中子星合并的预期一致。比如引力波波形的拟合，告诉我们中子星的质量，与中子星的质量范围是一致的。
两颗中子星合并过程中，向四面八方抛出了约1/1，000到1/1，000个太阳质量的物质，形状类似球体。这些喷出的物质通过快中子俘获过程产生大量的重元素。这些元素不稳定，能迅速衰变，产生辐射加热抛射体，从而使其发出明亮的可见光和近红外辐射，其亮度通常达到数千倍的新星级别，因此被称为“千新星”。因为这颗千新星距离地球很近，所以很亮，是之前探测到的短时尺度伽马暴距离的十分之一。
图6:双中子星一起旋转，最后合并产生成千上万颗新星的过程。
因为产生引力波的天体完全不同，所以我们观测到的引力波波形会有很大的不同。与黑洞相比，中子星的质量要小得多，在并合过程中时空的扰动和形变也更弱。所以在目前探测器灵敏度确定的情况下，我们只能探测附近的引力波信号。这个引力波源距离我们1.3亿光年，是目前为止探测到的所有引力波源的最新例子。通过波形拟合，科学家确定两颗中子星的质量分别约为1.15和1.6个太阳质量。合并后的天体质量约为2.74个太阳质量，仅喷射出0.01个太阳质量。
3.已解之谜和未解之谜
此前，我们仍然有许多难以回答的问题，无论是中子星本身，还是两颗中子星合并产生的伽马射线爆发。两颗中子星合并后，是中子星还是自转速度更快的黑洞？爆炸会抛出多少物质？喷射的机理和喷射的角度是什么？我们还不确定。
另外，到目前为止，科学家对中子星的成分和结构还不是特别清楚。当两颗中子星相互靠近但没有合并时，两颗中子星会因彼此的引潮力而发生严重变形，最终影响自旋速度和引力波波形。因此，科学家们希望引力波和电磁波的联合观测能够为这些问题提供一些珍贵的答案。
可惜由于目前引力波探测设备的灵敏度，引力波信号曲线不是很好，所以关于内部结构的问题一直没有得到解答。不过，对于部分合并后抛出了多少素材的问题，我们有了初步的答案。值得骄傲的是，这个答案是由一台参与观测的中国望远镜给出的。(答案马上公布)
两颗中子星的合并产生了中子星还是黑洞？现在还不确定。因为通过引力波波形的拟合，合起来的质量大约是2.74个太阳质量。理论上，如果一个天体的质量超过3个太阳质量，通常被认为是黑洞。但是中子星的最大允许值并不明确。如果中子星内部由中子组成，综合考虑物态方程和转速，不可能达到2.74个太阳质量。但如果内部是由其他外来物质(如夸克)组成，在一定条件下，这种质量的天体有一定的可能性，此时这个天体应该被称为“夸克克星”。但是目前所有的观测都没能给出中子星和黑洞的临界质量，当然也没能给出夸克存在的证据。从观测角度来看，我们观测到的最重的中子星大约是2个太阳质量，最小的黑洞质量是5个太阳质量；在这两者之间，有一个空白，没有发现任何致密天体的质量属于这个范围。因此，虽然我们不确定两颗中子星合并产生的2.74太阳质量天体是什么，但这一发现填补了黑洞和中子星之间的空白，为未来更多的天文发现拉开了帷幕。
图7:目前探测到的黑洞和中子星的质量分布图显示两者差距很大。这次探索是填补这一空白的第一个天体。
虽然科学家没有看到中子星内部的信息，也不知道最终的合并是什么，但是后来的很多电磁观测还是告诉了我们一些不确定的信息。例如，甚大望远镜(VLT)的光谱观测确认了重金属(比如我们熟悉的金、银)的来源，它们大多是在中子星并合过程中产生的。
图8:元素起源表。黄色代表中子星合并产生的元素，我们常见的金银就是通过这个过程产生的。
此前，科学家已经在短时间尺度伽马暴中探测到三个疑似数千颗新星的案例，但在余辉的光变曲线中只看到了很少的数据点。因为距离很近，伽马射线暴的余辉很弱，完全证实了上千颗新星的存在。此外，通过拟合其光变曲线的演变可以推断，约有1%的物质在合并过程中被抛出。
再说了，电磁信号和引力波信号结合对天文理论本身有什么意义？一方面，科学家可以通过这两个信号到达的时间差来检验爱因斯坦的弱等效原理，这是爱因斯坦广义相对论和其他引力理论的基石，爱因斯坦的理论再次通过了检验。
此外，引力波信号和电磁信号的结合可以限制宇宙学的一些基本参数，比如用于描述宇宙膨胀速度的哈勃常数。通过引力波的振幅比较，可以推断出系统到我们的光度距离，通过电磁波的光谱分析，可以知道这个系统的红移。给定这两者，我们可以计算哈勃常数的值:
与普朗克卫星的数值相比:
显然，引力波给出的数值误差非常大。但可以预见的是，随着探测精度的提高(除VIRGO室女座外，KAGRA探测器臂长3公里也已开始测试，-印度和许多第三代引力波探测器正在计划中)和探测到的引力波源数量的增加，这种误差很快会得到改善。
引力波发生在南方的蛇夫座，北方的望远镜很难看到，所以国内大部分望远镜都未能观测到，比如新建的FAST和many光学望远镜(云南丽江2.4m望远镜，国家天文台兴隆观测站2.16m光学望远镜等。).
不过幸运的是，中国有两台望远镜参与了这次观测。一个是位于南极Dome A的50cm南极光学巡天望远镜(AST3)，项目负责人是紫金山天文台的王立凡研究员。引力波源信息发布后一天左右，AST3望远镜对这个目标源进行了观测。当时南极冬季刚刚过去，目标天体的地平高度较低。由于太阳的限制，每天几乎有2个小时的观测时间。望远镜最终观测了10天，最终得到了目标天体的光变曲线，与巨星新星的理论预测高度一致。
观测的另一个参与者是硬X射线调制太空望远镜(也称为眼睛)。观测消息发布时，该事件正好在其观测范围内，但遗憾的是，虽然颜回是这个能量带最灵敏的观测设备，但它未能探测到0.2-5 MeV能量带的任何电磁信号，这很可能与这次伽马暴并不完全适合我们有关。
这是人类历史上首次同时探测到引力波及其电磁对应体，这将成为引力波天文学的又一个非常重要的里程碑。这一探索为我们解答了一些疑惑，但也提出了更多的问题。和历史上所有的天文发现一样，是人类好奇心的胜利和新起点。在多信使引力波天文学时代的大幕拉开之后，我们相信，凭借人类团结合作的力量，更多的宇宙奥秘将被一一揭开。