不就是两个“星星”怼上了么，为啥天文学家这么激动？_【中科院物理所】

相比黑洞，中子星的轨道衰变和合并有什么特点？...

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今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《隐匿的宇宙》。

本书为著名基本粒子物理学家村山齐教授关于“宇宙是什么”的畅销科普读物。书中以回答“宇宙由什么组成”以及“我们为什么存在”这两个人类最为原始、朴素的疑问为线索，通过结合最新的基本粒子物理和天体物理研究，用风趣幽默的语言和比喻，从全新的视角讲述了“宇宙的本原结构”和“自然的本原法则”，清晰描绘出了当前人类研究体系下的宇宙整体图景，并讲解了宇宙中“暗物质”“暗能量”等神秘组成部分，是了解自然和宇宙黑暗秘密的科普佳作。

如何才能得到这本《隐匿的宇宙》呢？参与的方式非常简单！只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照［“互动：”+你的答案答案］的格式在评论区留言，就有机会获得奖品！（PS：格式不符合要求者无效）截止到本周四中午12点，点赞数前三名的朋友将获得一本《隐匿的宇宙》。

【互动问答示例】

互动：这里就可以自由发挥你的答案啦~[/b]

作者：Ethan Siegel

翻译：Propagator

审校：山寺小沙弥

在今年的8月17号，一道由两颗合并的中子星发出的信号在经历1.3亿光年的旅程后悄然到达地球。这对缠绵的超新星爆发残骸，在宇宙的虚空中飘舞了110亿年，经过持续不断的引力波辐射后，终于维持不住自己的轨道，开始围绕着彼此盘旋。它们那运动的引力场引起时空的不断改变，穿梭在时空波澜中的二者自身也受到影响，动量发生了改变，因而二者的轨道进一步接近并最终相遇，两个中子星的碰撞惊天动地——千新星应运而生（千新星就是指亮度是普通超新星爆发一千倍的超级超新星爆发）。8月17日，在三个不同的探测器上，人类首次记录下了中子星轨道衰减与合并的引力波信号，当然，不同于黑洞的合并，这次人们还记录下了中子星合并的电磁信号，从伽马射线到可见光到无线电波段，应有尽有。这一次，引力波天文学正式成为了天文学大家庭的一员。

图1-从发现第一个中子星双星系统开始，我们就得知引力辐射会带走能量。因此一个双中子星系统的轨道衰变与最终合并只是时间问题。

当然，在引力波被证实后，我们就知道中子星合并的探测就只是时间的问题了。中子星的质量非常大，可能比太阳还要大一些，而尺寸却很小。我们可以设想一个原子核，它里面应该有多少个质子和中子呢？十几个？几十个？还是上百个？对于中子星而言，这么点空间可以容纳多达1057个质子和中子。当多个中子星同时存在时，这些不可思议的物质划破虚空，速度越来越快，空间本身的结构也会弯曲、向周围扩展。对于双中子星合并的脉冲星而言，在它们轨道衰减的最终阶段产生的空间畸变是如此剧烈，以至于远在数亿光年外的地球也能清晰地探测到那惊涛骇浪的余波。在过去，我们能通过二者轨道的衰减，间接观测这一奇观，但直接观测直到最近才能做到。

图2-三个探测器观测到的由轨道衰减引起的空间畸变

每当这些时空的涟漪掠过探测器的时候，都会使激光臂产生一个细微的膨胀和收缩。由于中子星系统的行为可以很好地由爱因斯坦的理论描述及预测，我们清楚地知道轨道衰变的频率和幅度应该是多少。相比大质量的黑洞系统，低质量中子星合并的信号在LIGO和Virgo探测器的可探测频段停留时间更长。黑洞合并的大部分引力波信号只会停留不到一秒，而中子星合并的引力波信号在一亿光年以外仍然有长达半分钟的可探测时间！

图3- 几个引力波信号的再现，其中四个已经确定，一个存疑（LVT151012）

和之前观测到的千新星爆发一样，在引力波信号最后的啼鸣到达后仅过了1.7秒，Fermi伽马射线卫星就探测到了一个瞬时信号。LIGO和Virgo团队用了11个小时在天穹上定位了一片仅有28平方度的区域，而这是目前定位精度的极限了。尽管中子星合并的信号强度比黑洞要小几个量级，但长时间的探测使得本次探测的信噪比达到了创纪录的32！

B.P.

图4-在加入Virgo探测器的数据后，即使信噪比较低，我们也能以很高的精度随时确定引力波的信号源。

在确定信号来源之后，我们就可以把手里头最好的可见光、红外和射电望远镜对准星空中的目标——NGC4993星系。在之后的两周内，我们观测到了引力波源的电磁波对应体，Feimi卫星同样观察到了伽玛暴余辉。至此，人类历史上首次实现了对中子星合并进行引力波和光谱结合的观测，观测结果也证实了理论学家的大胆猜想：中子星合并正是宇宙中大部分重元素的来源。

图5-引力波信号到达几小时后，光学望远镜实时地观测了合并的星体突然变亮又逐渐暗淡的过程。

当然，这次合并里还有很多信息有待解读，而这些信息对于引力波天文学的未来发展方向有着重要的指导意义。

1.双中子星系统几乎没有自转。对于一个单独的中子星而言，它可能是全宇宙自转速度最快的物体之一，可以达到百分之几的光速，最快能每秒转700余次。但在双中子星系统中却不然。近处的大质量天体意味着非常强的潮汐力，两个中子星高梯度的引力场使得彼此的自转都大为减缓。等到二者合并的时候，各自的自转已经到小了可以忽略不计的地步，这时我们可以由引力波信息严格地推导出其轨道参数。

2. 至少有相当于28个木星质量的物质在合并中被转化为能量。之前我们从未借助引力波观测过中子星合并。在同等级的黑洞合并过程中，多达5%的质量转化为能量。而在中子星合并中这个比例要小很多，因为中子星的碰撞发生在原子核之间，虽然这个原子核质量极大，但它毕竟不是黑洞中的奇点。即便如此，还是会有至少1%的质量按照质能关系转变为能量，这可不是个小数目。

图6-无质量的粒子以光速传播，包括光子、胶子和引力波，三者分别荷载着电磁相互作用、强相互作用和引力。

3. 引力波的传播速度就是光速。在本次探测之前，我们从未探测到过发自同一个波源的引力波和光波，因而无法严格对比。在经历了长达1.3亿光年的旅程后，这次合并的电磁波信号在引力波信号峰出现仅仅1.7秒后就到达地球。这就意味着，引力波和光波的传播速度仅仅相差0.12微米每秒，按百分比就是0.00000000000004%。理论上说二者应当严格相等，这个1.7秒的延迟源自于电磁波由产生到传播至中子星表面耽误的那一两秒的时间。

图7-本次事件的主角NGC4993星系，离我们足有1.3亿光年，在8月17日引力波信号后，观测到了新的瞬态光信号，也就是此次中子星合并的光学对应体。

4. 更快的探测响应速度完全可以实现。当我们初次在星空中确定电磁波信号源三维空间坐标的时候，花了足足十二个小时。诚然，我们在第一时间就观测到了光学对应体，但老话说得好，先下手为强。随着自动化分析技术的发展和不同地区探测器同步性的提高，响应速度会越来越快。可以想见在未来的几年内，LIGO和Virgo的灵敏度会越来越高，类似LIGO的探测器也会越来越多（如日本的KAGRA和印度的LIGO-india）到那时，别说等半天了，一分钟的响应时间我们说不定都会嫌慢。

图8-LIGO利文斯顿出现了噪音（蓝色曲线），需要人工干预。

5. 太空才是最适合引力波观测的地方。在地面上，我们之所以花了那么长时间确定波源位置，部分由于在洛杉矶利文斯顿的探测器出现了一个“噪音”：不知为何地面探测器发生了晃动。这就导致分析软件无法从原始信号中抽离出真实信号，研究人员不得不进行人工干预。LIGO-Virgo团队的工作令人赞叹，但假如把探测器放在太空中，这种乌龙根本不会出现，太空轨道上可不会有这种震波噪音的存在。

图9-中子星合并的艺术想象图，中子星合并可以同时产生引力波和电磁信号。

受限于目前的仪器条件，中子星合并的光学与红外特征信号延迟了将近11个小时。随着分析技术的改善，我们将会在一次次的天文事件中，进一步确定中子星系统合并到产生可见光信号需要多少时间。

最后我们盘点一下这次探测的成果吧：重元素的来源被确定；引力波的传播速度盖棺定论；引力波和电磁波可以用观测同一片星空。LIGO的质疑者们得到了有力的回应，清晰明确。以前人们总说引力波将来会是天文学不可分割的一部分，而这个“将来”已经来临。让我们祝贺LIGO，也祝贺全人类。今后，引力波发掘的宝贵知识财富将会是所有地球生灵的福祉。

原文链接：

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/17/why-neutron-stars-not-black-holes-show-the-future-of-gravitational-wave-astronomy/#d1c688956ae2

互动问题

【互动问题：相比黑洞，中子星的轨道衰变和合并有什么特点？】

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截止到本周六中午12点，点赞数前三名的朋友将获得我们送出的图书一本。

编辑：山寺小沙弥

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