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視頻丨全球70臺(tái)望遠(yuǎn)鏡如何觀測(cè)中子星并合的“宇宙焰火”
在昨天大事件解密之前，我就已經(jīng)拿到了 LIGO/Virgo 引力波天文臺(tái)和他們的天文觀測(cè)合作者聯(lián)合撰寫的論文，其中詳細(xì)列舉了在8月17日引力波事件發(fā)生后，全球數(shù)十臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是如何“瘋狂追捧”引力波源的。
本人將這一過程進(jìn)行了可視化：
第二段動(dòng)畫中包含了所有紫外、光學(xué)、紅外地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)記錄，不包括射電望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)記錄。氣泡最終大小跟望遠(yuǎn)鏡口徑正相關(guān)，顏色與所使用的濾光片波段相關(guān)。
如果你還不太清楚“大事件”是什么，往下看：
第一部分 新聞懶人包
1 到底發(fā)現(xiàn)了啥？
簡(jiǎn)單說，一次引力波事件。
而且是跟以前所有幾次引力波事件都不同的一次。
以前幾次，都是雙黑洞并合。并合完，還是黑的，啥也看不著。
這次是雙中子星并合，并合完，火光沖天，宇宙里的文明都看到了。
2 為啥天文學(xué)家這么興奮？
同上，因?yàn)閭z中子星并合完不是黑的，能看到。
所以所有聽說了這事兒的人，只要有自己的望遠(yuǎn)鏡，都拼了老命想要去看一下。
而且，基本上大家都看到了。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球一共有70架以上的各種天文望遠(yuǎn)鏡參加了觀測(cè)，這些觀測(cè)覆蓋了整個(gè)電磁波段：光學(xué)、紅外、紫外、高能、射電。
本文開篇的視頻，展示了全球各地光學(xué)望遠(yuǎn)鏡跟進(jìn)觀測(cè)的情況。（可以翻回去再看一遍）
南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有頂級(jí)天文臺(tái)都興奮得像瘋了一樣。
注意南極也有一個(gè)小光點(diǎn)！是什么看下文 5。
3 這事對(duì)天文學(xué)有啥意義？
最大的意義是：引力波和傳統(tǒng)天文學(xué)終于成功的并肩作戰(zhàn)。
從今以后，“引力波”領(lǐng)域，終于毫無疑問的成為天文科學(xué)的一員。
在此之前，射電天文學(xué)的加入，讓光學(xué)和射電成為天文學(xué)的兩架馬車；空間望遠(yuǎn)鏡的加入，讓電磁波的全波段天文時(shí)代降臨；宇宙線和中微子的加入，又讓我們看到了“多信使天文學(xué)”時(shí)代的曙光。
然后，我們看到了引力波。
如今，我們用引力波和電磁波一起看到了一場(chǎng)宏大宇宙煙火的前后全貌。
一個(gè)新的時(shí)代——多信使天文學(xué)全面開張的時(shí)代——來了！
4 這事對(duì)普通人有啥意義？
人類，終于知道了黃金怎么來的。
5 中國這回?fù)胶蜎]？
摻和了。摻和了不少。
紫金山天文臺(tái)的南極巡天望遠(yuǎn)鏡，參與了光學(xué)波段的后續(xù)觀測(cè)。
中科院高能物理研究所的“慧眼”X射線望遠(yuǎn)鏡（HXMT），參與了X射線波段的后續(xù)觀測(cè)。
清華大學(xué)等單位的研究人員，通過和LIGO組織合作，參與了引力波信號(hào)分析。
但對(duì)這次來說，主要是前兩條。
第二部分 稍微細(xì)一點(diǎn)
1 這次的引力波長啥樣？
引力波長啥樣，聽聽就知道了。視頻的最后在雙中子星即將發(fā)生并合前，由于相互繞轉(zhuǎn)頻率不斷提高而發(fā)出的所謂“啁啾”聲。請(qǐng)準(zhǔn)備好你的重低音耳機(jī)！
如果你還記得去年剛發(fā)現(xiàn)引力波時(shí)候的那個(gè)chirp，你會(huì)發(fā)現(xiàn)體驗(yàn)完全不一樣——那次的只有不到1秒，而這次在音頻中出現(xiàn)的就有將近1分鐘——實(shí)際上，這次LIGO一共探測(cè)到了大約100秒！
2 為啥這次探測(cè)到這么長的“鳥鳴”？
一方面因?yàn)橹凶有遣⒑媳緛砭托枰容^久的旋進(jìn)階段，另一方面就是，因?yàn)榻。?/p>
人們很早就懷疑短伽馬暴起源于雙中子星并合，此前的短伽馬暴通過查找宿主星系的辦法，也有一些能得到距離的，但通常都極遠(yuǎn)，往往在幾十億光年開外，而這次，只有1.3億光年！是最近的一次短伽馬暴！
因?yàn)樘貏e近，信號(hào)就比較強(qiáng)，前面比較弱的部分就能看到比較多，也就探測(cè)到了超長的旋進(jìn)階段。
3 這次怎么找到引力波源位置的？
去年只有LIGO兩個(gè)站的時(shí)候，我們只能大體把引力波源定位在天空中一個(gè)大圈上，而今年隨著歐洲Virgo引力波探測(cè)器的加入，引力波源定位的精確度大大提高！
如下圖所示，本次引力波事件，GW170817，被定位在了大約31平方度的非常小的天區(qū)內(nèi)?。ㄏ聢D黃色區(qū)域）
引力波探測(cè)器給出的定位結(jié)果（綠色），和費(fèi)米衛(wèi)星給出的定位（藍(lán)色），非常吻合：
下圖是后來發(fā)現(xiàn)了引力波源的星系 NGC 4993 周圍 3 平方度的天區(qū)，藍(lán)色橢圓標(biāo)記出了這里面所有已知的星系。可以發(fā)現(xiàn) NGC 4993 剛好位于一個(gè)星系團(tuán)旁邊，里面星系多得很。而 31 個(gè)平方度里，星系自然就更多。
雖然有好幾十臺(tái)望遠(yuǎn)鏡參加觀測(cè)，能在一天之內(nèi)就找到，也太快了吧！
——實(shí)際上，事情沒有那么復(fù)雜。
LIGO & Virgo 在收到引力波信號(hào)后，會(huì)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)一個(gè)距離。這一次他們給出的是40±0.8 Mpc（Mpc=百萬秒差距=326萬光年）。我用這個(gè)距離范圍在 NGC 4993 周圍 ~300 個(gè)平方度里搜，記錄在冊(cè)的星系一共也就21個(gè)?？紤]到事情發(fā)生的時(shí)候出于慎重可能會(huì)把距離范圍放寬點(diǎn)，但在31度天區(qū)中真正需要查證的，也還是只有幾十個(gè)星系而已。
比找MH370容易多了。
4 這次看到的引力波源——“光學(xué)對(duì)應(yīng)體”，長啥樣？
下圖是歐洲南方天文臺(tái)幾架不同的望遠(yuǎn)鏡捕捉到的畫面。雖然畫質(zhì)高下有別，在星系中心左上邊一點(diǎn)，都看到了同一個(gè)小亮點(diǎn)——也就是雙中子星并合之后持續(xù)發(fā)光的，被稱作“千新星”的現(xiàn)象。（左上角是2014年拍的對(duì)比圖，這張上沒有這次的小亮點(diǎn)。）
變的越來越紅！
5 雙中子星并合具體什么樣？
前面已經(jīng)放過并合的一個(gè)藝術(shù)家想象動(dòng)畫，下面再放個(gè)科學(xué)一點(diǎn)的模擬。
它展示了雙中子星并合最后幾十毫秒發(fā)生了什么。
千新星事件雖然不是第一次被看到，但結(jié)合了引力波和電磁波全波段觀測(cè)數(shù)據(jù)的這次事件，讓我們可以更透徹的研究“千新星”事件到底是怎么回事。
6 所以黃金到底怎么來的？
上一段說了，中子灑出來之后，會(huì)產(chǎn)生很多所謂富中子的不穩(wěn)定同位素，也就是說很多原子核中包含大量中子的元素，這些中子會(huì)迅速衰變成質(zhì)子，產(chǎn)生大量原子序數(shù)（即原子核中的質(zhì)子數(shù)）較高的重元素，其中就包括金。
先前人們?cè)?jīng)認(rèn)為重元素主要由超新星爆發(fā)產(chǎn)生，但后來發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)不是一個(gè)足夠有效的機(jī)制，于是雙中子星并合被寄予厚望。
7 中子星？夸克星？
我們一直說“雙中子星并合”，但實(shí)際上對(duì)于中子星是不是“中子”星，在天文學(xué)界是有爭(zhēng)議的——一部分理論學(xué)家認(rèn)為，這些致密天體可能是由更基本的粒子夸克組成的，應(yīng)該被叫做“夸克星”。
檢驗(yàn)這種致密星到底是由“中子”還是“夸克”構(gòu)成，最直接的辦法應(yīng)該是去測(cè)量星體的質(zhì)量和半徑。因?yàn)榭淇诵窃瓌t上會(huì)更致密。但是這些致密星太小，用我們現(xiàn)有的觀測(cè)手段很難給出精確的測(cè)定。
另一種思路，就是利用雙星并合時(shí)的現(xiàn)象——前面說了，“千新星”這種現(xiàn)象只有在富中子的環(huán)境才能發(fā)生。而大量的中子來自于中子星，所以如果我們?cè)陔p致密星并合后能看到“千新星”現(xiàn)象，說明這些致密星的本質(zhì)應(yīng)該是中子星，而如果看不到，則更有理由傾向于夸克星的假說。
就這次的觀測(cè)證據(jù)來說，“中子”星一派占據(jù)了上風(fēng)。
8 這次事件還告訴我們什么
還告訴宇宙膨脹有多快。也就是測(cè)定了哈勃常數(shù)。
一方面，引力波觀測(cè)可以通過接收到引力波的強(qiáng)度，算出源天體的光度距離；另外通過源天體所在的星系紅移的測(cè)量，我們知道它的退行速度。結(jié)合起來，就算出了宇宙膨脹有多快。
當(dāng)然這一次事件給出的測(cè)量精度還沒有比我們此前已經(jīng)獲得的結(jié)果更好，不過隨著未來類似觀測(cè)的積累，引力波與電磁波的聯(lián)合觀測(cè)還是可以給出越來越精確的，對(duì)宇宙膨脹速度的獨(dú)立估計(jì)。
9 仍然未解的迷
我們不知道并合后形成的是中子星還是黑洞。
我們認(rèn)為中子星的質(zhì)量有個(gè)上限，叫做奧本海默極限。超過了這個(gè)極限，中子星就會(huì)坍縮成黑洞——但在理論上，這個(gè)極限究竟是多少，還有爭(zhēng)議。爭(zhēng)議的原因就是上面7中所說的，理論學(xué)家對(duì)中子星的具體構(gòu)成有不同的見解。而我們通過引力波的觀測(cè)知道了系統(tǒng)總質(zhì)量為2.74個(gè)太陽質(zhì)量，剛好在“爭(zhēng)議區(qū)”，于是無法判斷這是不是足以形成黑洞。
10 小望遠(yuǎn)鏡的威力
在這次全球觀測(cè)天文學(xué)家的大聯(lián)歡中，小望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮了功不可沒的重要作用。
率先在星系 NGC 4993 中找到引力波光學(xué)對(duì)應(yīng)體的，是歐南臺(tái)的 Swope 望遠(yuǎn)鏡，口徑1.02米。
要知道在專業(yè)天文學(xué)界，1米口徑是相當(dāng)小的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡了。
而更讓人驚訝的是，這次還有很多臺(tái)40~60厘米的超輕量級(jí)望遠(yuǎn)鏡加入戰(zhàn)斗——這對(duì)天文愛好者來說可能還算是鎮(zhèn)宅之寶，對(duì)專業(yè)天文學(xué)來說，有點(diǎn)玩具的意思了。
甚至，盛會(huì)中還有一個(gè)口徑25厘米的 TAROT 望遠(yuǎn)鏡。（下圖右下）
系外行星搜尋、超新星搜尋、微引力透鏡搜尋……還有很多有趣的科學(xué)領(lǐng)域，是小望遠(yuǎn)鏡能夠一展身手的地方。
11 歐南臺(tái)的“艦隊(duì)”
在看文首視頻的時(shí)候，有沒有被智利北部密集的光點(diǎn)嚇到？
歐南臺(tái)在新聞中用“艦隊(duì)”來形容自己的望遠(yuǎn)鏡們——這支艦隊(duì)，不只有8米、10米級(jí)的“航空母艦”，更有一大堆4-6米級(jí)的“巡洋艦”、2-3米級(jí)的“護(hù)衛(wèi)艦”、1米級(jí)以下的“保障船只”，乃至其他波段的“協(xié)同軍種”，共同構(gòu)成了令人望而生畏的歐南臺(tái)艦隊(duì)。
下圖展示了歐南臺(tái)參與本次聯(lián)合觀測(cè)的部分“大船”。紫外、可見光、紅外、射電，都有。
幸好這次還有南極巡天望遠(yuǎn)鏡和慧眼衛(wèi)星給中國撐場(chǎng)子，不然真的是毫無臉面了。
希望中國天文的盛世，早點(diǎn)來吧！
（作者劉博洋是中國科學(xué)院國家天文臺(tái)、西澳大學(xué)國際射電天文研究中心在讀博士，微信公眾號(hào)“天文八卦學(xué)”（Astrobaguaology）作者。澎湃新聞特約撰稿，如需轉(zhuǎn)載，務(wù)必注明來源和作者。）
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