仰望星空——文科生的引力波

　　在即将过去的一周，引力波再次刷屏科学界，从10月16日开始，关于引力波的各种科学解读纷至沓来，各大媒体反应之迅速、信息量之大，让人目不暇接。不过层出不穷的专业术语，各种角度的解读，还是让文科出身的东方学姐懵圈了。

　　为了搞清楚引力波的产生、探测过程，尤其是各种专业术语的理解，还有我国在这次引力波探测过程中的助力，以及探测引力波这件事对我们公众到底有什么意义？本着对自己负责、对公众负责的态度，东方学姐参加了清华大学于10月17日举办引力波成果发布会，通过专家的解读以及个人通宵恶补学习，终于对引力波有了一个较为清晰的认知。

　　人类首次同时看见并听见宇宙

　　北京时间2017年10月16日22点，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到壮丽的来自双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号，编号GW170817。

　　这个被命名为GW170817的引力波信号于美国东部时间8月17日8点41分（北京时间20点41分）被观测到。这次发现是由位于美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）和位于欧洲的室女座干涉仪（Virgo）引力波探测器，以及全球各地的70个地面及空间望远镜共同完成的。

　　（注：LIGO是美国“激光干涉引力波天文台”的英文缩写，也指探测器，由美国国家自然科学基金（NSF）资助，加州理工学院和麻省理工学院负责建造和运行，德国（MPG）、英国（STFC）和澳大利亚（ARC）也作出了重要贡献。

　　LIGO科学合作组织是一个科研合作的全球性组织，来自世界各地的1200多名科学家通过LIGO科学合作组织参与具体工作，其中包括GEO合作组织。

　　Virgo探测器位于意大利比萨的欧洲引力天文台。Virgo合作组织由来自20个不同的欧洲研究团队的280名物理学家和工程师组成：6个来自法国的CNRS、8个来自意大利的INFN、2个来自荷兰的Nikhef、还有分别来自匈牙利、波兰和西班牙的各1个。）

　　LIGO和Virgo的位置示意图

　　这次观测由位于美国相距3000公里的两个相同的LIGO探测器完成，其中一个位于美国华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。位于意大利比萨的Virgo探测器提供的信息可以提升引力波事件的空间定位能力。两个LIGO探测器在2016年11月30日启动，Virgo探测器在2017年8月1日加入，多个探测器同时运行可以使得引力波天文学家们能够分析测量信号来自天空的哪个位置，探测器数量越多，定位越准确。

　　（注：自2007年起，LIGO和Virgo通过了合作协议，开始共同处理探测器数据并共同发布探测结果。由于引力波探测器并没有任何指向性，并且要寻找一些微弱、偶发的信号，所以联合观测对确定引力波信号和引力波源是非常重要的。）

　　这个被命名为GW170817的引力波信号是如何被探测到的呢？LIGO的实时数据分析软件从其中一个LIGO探测器中捕捉到了一个很强的来自太空的引力波信号；此后1.7秒，美国国家航空航天局（NASA）的费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴GRB170817A。对此，LIGO-Virgo的分析软件通过比较两信号，得出结论：这不太可能只是一个巧合。还有一个自动分析表明另一个LIGO探测器也探测到了一致的引力波信号。

　　LIGO-Virgo团队的快速引力波探测分析，以及费米望远镜的伽马射线暴探测，启动了世界范围内的望远镜后继观测，大约11个小时后，位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于名为NGC4993星系的双中子星系统。无数望远镜将目光对准这片天区，记录下这一事件发生之前100秒至之后几个星期的信号。

　　GW170817时间线

　　（注：当LIGO和费米太空望远镜在遇到强信号时，会自动向天文界发送警报。像GW170817或者GRB170817A这样的强信号可以引发其他天文探测活动，因而常常被称作“触发器”。在这次的事件中，引力波和伽马射线触发器生成了发送给天文界的警报。）

　　400年来，人类观测宇宙使用的都是天文望远镜——“看”宇宙，直到2015年直接探测到引力波，人类才首次开始“聆听”宇宙。而在2017年8月17日，人类首次同时“看见”并“听见”宇宙。

　　艺术家关于两个并合中的中子星的想象。窄束代表着伽马射线暴，而扭曲的时空网格标志着由并合产生的各向同性的引力波。旋转的物质团块是从并合的双星中抛射出的物质，可能导致了较低能量的电磁信号源。（来源：国家科学基金会/LIGO/索诺马州立大学/A. Simonnet。）

　　双中子星合并产生引力波

　　这次引力波事件是人类第五次探测到引力波。然而科学界的兴奋之情甚至不亚于第一次探测到引力波时。因为与之前被探测到的四个引力波信号不同，这次探测到的引力波信号GW170817来自1.3亿光年外两颗并合的中子星。

　　前四次引力波信号都是源自宇宙深处两个黑洞并合产生（第四次引力波探测由LIGO以及Virgo共同探测），不会发射电磁波，而天文学家们一直在期待另一种形式的引力波事件——双中子星并合，因为这种并合产生的引力波会伴随电磁波等发光信号，从而可以被传统望远镜直接探测到。所以每次LIGO发现引力波信号，许多天文学家会利用望远镜跟进观测，希望成为发现电磁波小亮点的“第一个吃螃蟹者”。

　　中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，是大质量恒星在演化的最后阶段经过超新星爆发形成的。双中子星系统可以通过万有引力作用相互吸引和旋进，并发出引力波。在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内，因此有机会被观测到。同时，中子星并合以后还会发出伽马光子，该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后的数天和数星期内，这场壮丽的并合事件仍会继续发出其他频段的光，或者说电磁信号——包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波。

　　LIGO的数据表明两个距离地球1.3亿光年的天体相互旋进。数据显示这个天体系统的质量没有双黑洞大（LIGO-Virgo之前已经探测到过来自双黑洞并合的引力波）。相反，这两个相互旋进的天体的质量估计为1.1~1.6倍太阳质量，恰好是中子星的质量范围。中子星直径约20千米，极其致密，一小勺中子星物质的质量可达10亿吨！

　　中子星直径约20千米，大概能覆盖北京的四环内。

　　双中子星系统产生的引力波可以在探测器可见范围内持续一分多钟。在GW170817的信号中，在两星并合前的大约100秒，它们相距400公里，却在每秒内绕了12圈。每转一圈，引力波的辐射迫使它们越发接近。随着轨道的收缩，它们速度越来越快，引力波的强度和频率也不断增加。轨道的逐渐收缩过程被称为“旋近”，而频率的提升被称作“啁啾”信号。这一过程逐渐加快直到双星并合而形成单个遗迹。

　　引力波天文学家们一直期望着双中子星并合的引力波信号，这是因为中子星在宇宙中很常见，并且双中子星系统在使用射电望远镜之前就已经被探测到。最著名的例子就是1974年被发现的赫尔斯-泰勒（Hulse-Taylor）脉冲双星。射电天文学家们到目前为止已经绘制了40年它的轨道曲线，显示着这两颗星体正慢慢互相旋近。在大约3亿年后，赫尔斯-泰勒脉冲双星将会并合，并产生一个类似于LIGO观测到的GW170817那样的信号。

　　中国科学家助力引力波探测

　　这次“引力波大新闻”亮点之一是中国的紫金山天文台南极天文中心能够跟美国宇航局联合发布。在这项重大发现中，中国科学家也跻身在列，做出了重要贡献。其中不仅有一直没有缺席引力波探测国际合作的清华大学LIGO工作组，还有我国首颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜和中国南极昆仑站南极巡天望远镜AST3合作团队运行的第2台望远镜AST3-2也检测到了此次引力波。

　　清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组由信息技术研究院曹军威、范锡龙和计算机系都志辉、郭翔宇（已经研究生毕业）组成，自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员，参与了迄今为止的所有引力波发现并作出贡献。

　　清华大学LIGO工作组近两年来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、性能优化与软件开发等方面的工作。

　　是不是看不太懂，简单理解就是：爱因斯坦在100多年前只能提出引力波预言而不能探测到引力波，主要是受制于实验手段和计算手段的限制，如今能够验证引力波预言，也是基于实验和计算手段的发展。因此清华大学LIGO科学合作组织的工作就是为引力波探测提供先进的实验手段，同时为多个数据处理团队提供计算手段。

　　LIGO科学合作组织是一个非常庞大的组织，清华大学LIGO科学合作组织参与的工作是其中很小一部分，主要研究工作包括：1.构建了“利用已知脉冲星群组性质探测连续引力波”的方法，并利用该方法搜索信号；2.完善了“贝叶斯多信使天文学框架”，并且用该框架研究引力波—短伽马暴；3.进一步优化GPU加速在线致密双星并合信号搜寻程序流水线；4.探索深度学习在引力波实时数据分析中的应用等等。这些工作得到了国家自然科学基金委和清华大学自主科研计划的资助。

　　此外，清华大学信息技术研究员LIGO科学合作组织工作组织积极参与引力波国际合作研究，与美国麻省理工学院、加州理工学院、西澳大利亚大学、格拉斯哥大学等密切合作，积极参与国际第三代引力波探测器研讨。

　　慧眼HXMT望远镜是全球仅有四台X射线和伽马射线成功的检测到引力波信号方位的卫星之一，该卫星于2017年6月15日在酒泉卫星发射基地成功发射升空的，试运行5个月。

　　本用来探测黑洞、中子星等X射线天体的慧眼望远镜在本次引力波事件中准确探测到了伽马暴和引力波闪，成为国际上重要的伽马射线暴观测卫星之一。我国科研人员通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定，中子星合并确实是宇宙中金、银等超铁元素的主要起源地。

　　而中科院南极巡天望远镜AST3-2也表现不俗。2017年8月18日中午，架设在昆仑站的南极巡天望远镜AST3-2团队在获知引力波信号准确方位后，立刻调整巡天望远镜角度，把望远镜观测角度拉到极限，历时10天，每天2小时，终于在预期坐标内独立观测到该引力波的光学信号。

　　我国第2台南极巡天望远镜AST3-2，在8月18日观测窗口期内观测到引力波光学信号（红色方框内）。

　　该望远镜有效通光口径为50cm，是南极现有最大的光学望远镜，可实现极端条件下无人职守的全自动观测。目前该望远镜主要用于开展超行星巡天、系外行星搜寻和引力波光学对应体探测等。

　　GW170817一定是双中子星并合产生的吗？

　　如同天文学上的一切重大发现，我们对很多事情有了认识，但同时也还有很多未得到解答的问题。对于GW170817存在的两个最大的疑问与这两个物体的本质有关。

　　通过对相关的电磁信号分析可以判断出来，双中子星系统中的至少一个物体是中子星，但并不表示两个都是（尽管它们两个的质量都和已知中子星类似），仍有可能其中之一是一个黑洞。

　　天文学家从未观测到与中子星有着相似质量的黑洞，但也没有可靠的观测证据证明它们不存在，因此GW170817也有可能是一个中子星黑洞系统。然而，鉴于与已知中子星的质量相类似，科学家们仍然偏向这是双中子星系统的解释。

　　另一个未解答的问题是GW170817并合之后变成了什么？有两种可能性：一种是变成了非常大质量的中子星（那将是已知的最大的中子星），另一种是变成了黑洞（那会是已知的质量最小的黑洞）。两种可能性都很诱人，但现在的数据还不足以告诉我们究竟是哪一种。我们所能知道的只有：这残留的遗迹，不管它是什么，大约具有2.74个太阳的质量。

　　引力波让我们再次一起仰望星空

　　关于引力波信号GW170817被探测到的意义，科学家们已经给出了很多科学方面的总结。比如首次直接探测到了双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号；人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件；打开了等待已久的多信使天文学的新窗口，引力波天文学为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会；还有证实双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、银）的起源地。

　　东方学姐在学习了解关于引力波知识的同时，也一直带着这样一个疑问：为什么要了解它。

　　爱因斯坦于1915年发表广义相对论，在1916年预言了引力波的存在，认为任何加速运动的物质都会发出引力波。引力波探测是在广义相对论最极端、最严格情况下的一个验证，填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块，打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口，开启了引力波天文学的新时代。

　　引力波是与物质一样客观存在的。日常生活中，我们每个人在走动的时候也会产生引力波，但是因为强度实在太小了因而探测不到。目前人类能够探测到的引力波量级大概在10的负18次方，这是什么概念呢？比如说地球上氢弹爆炸时所产生的引力波量级是10的负27次方时空上的变化，而这是目前无法探测到的。只有宇宙中大质量天体的极端运动，才能够产生足够量级的引力波让我们人类探测到。

　　宇宙中有一个像水波纹一样的时空分布，在很遥远的宇宙，大质量天体的在极端运动中所瞬间放出来的引力波，经过很长时间（亿年为单位）、经过很多星系，最终才能到达地球；在100多年前，一位名叫爱因斯坦的科学家预言了这件事；近两年，人类连续数次接收到、不仅“听到”还“看到”了引力波的信号。其实人类能够理解引力波这件事的本身就是一件很神奇的事情。那么时空穿越、外星人是否会有可能？

　　引力波给了我们一个一起仰望星空的机会，对于探索宇宙，认知过去与未来，有什么是不可能的呢？

　　引力波刷屏背后的科学家传播团队

　　在历次引力波成果发布过程中，公众都能够迅速获取关于引力波的知识，这些都离不开全体LIGO科学合作组织和Virgo合作组织中华人成员的辛勤工作，他们都会组织资料整理和翻译，以及撰写科普文章，且都是志愿服务，大众所看到的关于引力波的科普文章，也多源自他们辛勤工作。

　　清华大学LIGO合作组织提供了一份名单，他们是（可能不全面）——

　　现LIGO科学合作组织和Virgo合作组织成员：

　　陈文亮 格拉斯哥大学

　　陈雁北 加州理工学院

　　储琪西 澳大利亚大学

　　丁斌磊 布鲁塞尔自由大学

　　胡一鸣 西澳大利亚大学

　　鞠莉 西澳大利亚大学

　　黎冠峰 香港中文大学

　　刘见 西澳大利亚大学

　　马怡 秋加州理工学院

　　缪海兴 伯明翰大学

　　明镜 德国马普所

　　孙翎 墨尔本大学

　　王刚 格兰萨索科学研究所

　　王浩宇 伯明翰大学

　　王一帆 香港中文大学

　　温琳清 西澳大利亚大学

　　于航 麻省理工学院

　　于皓存 麻省理工学院

　　张腾 格拉斯哥大学

　　张珏 西澳大利亚大学

　　张渊 皞德国马普所

　　赵春农 西澳大利亚大学

　　朱兴江 莫纳什大学

　　前LIGO科学合作组织和Virgo合作组织成员：

　　李俊伟、邵立晶、王梦瑶、王小鸽、王䶮、万宇鑫、阳子婧、张帆