北京時間10月16日22點，美國國家科學(xué)基金會召開新聞發(fā)布會，宣布激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）于2017年8月17日首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合引力波事件，國際引力波電磁對應(yīng)體觀測聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對應(yīng)體。

極為重要的里程碑事件

今年8月17日，LIGO和Virgo共同探測到的引力波事件GW 170817，是人類首次直接探測到由兩顆中子星并合產(chǎn)生的引力波事件。隨后幾秒內(nèi)，美國宇航局Fermi伽馬射線衛(wèi)星和歐洲INTEGRAL衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標(biāo)伽馬暴GRB 170817A。全球有幾十臺天文設(shè)備對GW 170817開展了后隨觀測，確定這次的引力波事件發(fā)生在距離地球1.3億光年之外的編號為NGC 4993的星系中。

“本次發(fā)現(xiàn)的引力波事件跟以往發(fā)現(xiàn)的雙黑洞并合不同，它由兩顆中子星并合產(chǎn)生。理論預(yù)言雙中子星并合不僅能產(chǎn)生引力波，而且能產(chǎn)生電磁波，即引力波電磁對應(yīng)體?！敝锌圃焊吣芩芯繂T熊少林說，“這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應(yīng)體，是引力波天文學(xué)極為重要的里程碑，在天文學(xué)以及物理學(xué)發(fā)展史上具有劃時代的意義，正式開啟了多信使引力波天文學(xué)時代。”

據(jù)了解，引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論后的預(yù)言。引力場在極端天體物理過程中急劇變化，產(chǎn)生時空擾動并向外傳播，人們形象地稱之為“時空漣漪”。引力波的直接探測剛獲得2017年度諾貝爾物理學(xué)獎。

“慧眼”成功監(jiān)測到爆發(fā)天區(qū)

我國第一顆空間硬X射線調(diào)制望遠鏡“慧眼”在引力波事件發(fā)生時成功監(jiān)測了引力波源所在的天區(qū)，對其伽馬射線電磁對應(yīng)體（簡稱引力波閃）在高能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制作出了重要貢獻，相關(guān)探測結(jié)果發(fā)表在報告此次歷史性發(fā)現(xiàn)的研究論文中。

因為該引力波事件具有極為重要的意義，天文學(xué)家使用了大量的地面和空間望遠鏡進行觀測，形成了一場天文學(xué)歷史上罕見的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測。然而，引力波事件發(fā)生時僅有4臺X射線和伽馬射線望遠鏡成功監(jiān)測到爆發(fā)天區(qū)，中國的“慧眼”望遠鏡便是其中之一。

在這些望遠鏡中，“慧眼”在0.2~5百萬電子伏特（MeV）能區(qū)的探測接收面積最大、時間分辨率最好，因此對引力波閃（一個編號為GRB 170817A的伽馬射線暴）MeV能區(qū)的伽馬射線輻射的探測能力最強。

“此前人們普遍預(yù)計，像本次事件這樣近距離的雙中子星并合產(chǎn)生的引力波閃將極為明亮，但本次引力波閃卻出乎意料的暗弱，特別是在MeV能區(qū)的輻射十分微弱，導(dǎo)致沒有望遠鏡（包括慧眼在內(nèi)）在這個能區(qū)探測到引力波閃?！毙苌倭指嬖V《中國科學(xué)報》記者，“但‘慧眼’憑借強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的上限?！?/p>

鑒于“慧眼”觀測限制的重要性，中國不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發(fā)現(xiàn)的論文，在論文的正文部分報告了觀測結(jié)果；而且，“慧眼”的詳細分析結(jié)果還以獨立論文的形式于10月16日同步發(fā)表在《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》雜志英文版網(wǎng)頁。

值得注意的是，“慧眼”本來的設(shè)計目標(biāo)是探測黑洞和中子星等銀河系內(nèi)的X射線天體，研究極端引力場條件下的物理規(guī)律。項目組通過對“慧眼”輔助探測器的創(chuàng)新性使用，獲得了額外的探測伽馬暴及引力波電磁對應(yīng)體的能力，使其成為國際上正在運行的最重要的伽馬射線暴監(jiān)測設(shè)備之一，大大擴展了望遠鏡的科學(xué)產(chǎn)出。

科研人員透露，在“慧眼”望遠鏡的技術(shù)基礎(chǔ)之上，中科院高能物理所還提出了專門探測引力波閃的引力波高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)測器項目，并將其命名為“閃電”。“閃電”采用針對性優(yōu)化設(shè)計，不僅能夠同時監(jiān)測全天隨機爆發(fā)的引力波閃，而且具有更低的探測閾值、更高的監(jiān)測靈敏度以及更好的定位能力，對引力波閃的綜合探測性能遠超現(xiàn)有望遠鏡。

目前，“閃電”的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及方案設(shè)計的大部分工作已經(jīng)完成。如果立即立項，可以在2020年前發(fā)射升空，從而趕上與具有最佳靈敏度的LIGO和Virgo等引力波探測器進行聯(lián)合觀測，獲得最大的科學(xué)產(chǎn)出，使我國在引力波電磁對應(yīng)體的探測研究上達到國際領(lǐng)先水平。

“慧眼”望遠鏡由國家國防科技工業(yè)局和中科院聯(lián)合資助建造，于2017年6月15日從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，開始為期5個月的試運行。參與本次引力波事件觀測時，“慧眼”剛試運行兩個月。試運行結(jié)束后，“慧眼”將正式進行科學(xué)觀測，同時繼續(xù)監(jiān)測研究引力波閃。

南極巡天望遠鏡獲得重要數(shù)據(jù)

與美國國家科學(xué)基金會召開新聞發(fā)布會的同一時間，中國期刊《科學(xué)通報》英文版通過國際合作方愛思唯爾的全球發(fā)布平臺，同步發(fā)布由中科院紫金山天文臺聯(lián)合中外各個合作單位做出的最新觀測結(jié)果，相關(guān)研究論文于16日晚10時上線。

南極天文研究中心主任、中科院紫金山天文臺研究員王力帆介紹，自北京時間2017年8月18日21:10起，即距離引力波事件發(fā)生24小時后，中國南極巡天望遠鏡AST3合作團隊利用正在中國南極昆侖站運行的第二臺望遠鏡AST3-2，對引力波事件GW 170817開展了有效的觀測，此次觀測持續(xù)到8月28日，其間獲得了大量重要數(shù)據(jù)，并探測到此次引力波事件的光學(xué)信號。這些數(shù)據(jù)揭示了此次雙中子星并合拋射出約1%太陽質(zhì)量（超過3000 個地球質(zhì)量）的物質(zhì)，這些物質(zhì)以0.3倍的光速被拋到星際空間，拋射過程中部分物質(zhì)核合成，形成比鐵還重的元素。因此，這次引力波的發(fā)現(xiàn)，證實了雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。

AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺南極巡天望遠鏡。其有效通光口徑50厘米，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠鏡，完全實現(xiàn)了極端環(huán)境下的無人值守全自動觀測。目前，AST3-2主要進行超新星巡天、系外行星搜尋、引力波光學(xué)對應(yīng)體探測等天文研究。

中國南極天文中心是由中科院紫金山天文臺、中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所、國家海洋局中國極地研究中心、中科院國家天文臺發(fā)起和共建的研究機構(gòu)，2006年12月25日在紫金山天文臺正式宣告成立，如今已成為推進我國南極天文學(xué)研究和國際合作與交流的平臺。

圖1：“慧眼”望遠鏡示意圖

圖2：雙中子星并合過程既能產(chǎn)生引力波，又能產(chǎn)生電磁波（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

圖3：第二臺南極巡天望遠鏡AST3-2

圖4：AST3-2在8月18日觀測窗口期內(nèi)引力波光學(xué)信號（紅色方框內(nèi)）