國之重器「慧眼」，用張開的眼睛探索引力波新時代

屬於引力波的天文學時代來了！

北京時間10月16日22點，美國國家科學基金會宣布：激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）於2017年8月17日首次發現雙中子星併合引力波事件（編號GW170817），國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現該引力波事件的電磁對應體。

「這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應體，這在天文學及物理學發展史上具有劃時代的意義。」中科院高能物理研究所慧眼衛星伽馬暴和引力波電磁對應體研究組負責人熊少林稱。

「時空漣漪」

什麼是引力波？就好像有人在水池中央攪動水面，水面會以波動的形式傳向四方，極端天體物理過程中，時間和空間會在質量面前彎曲，並以振動的形式向外傳播，這就是人們俗稱的「時空漣漪」，這些振動便是引力波。

1916年，愛因斯坦在廣義相對論框架下首次提出了引力波的設想，但其存在與否誰都無法確定，即便愛因斯坦本人。雖然存在是個謎題，但科學家們探測引力波的腳步並未放慢。

2015年9月14日，LIGO團隊捕捉到類似一隻鳥兒啁啾聲的信號，這是由黑洞併合產生的一個時間極短的引力波信號，儘管持續不到1秒，卻是人類首次探測到引力波。此後，科學家們又陸續探測到幾例引力波事件。

不過，跟以往發現的雙黑洞併合不同，本次發現的引力波事件由兩顆中子星併合產生。「理論預言雙中子星併合不僅能產生引力波，而且能產生電磁波，即引力波電磁對應體。這次探測，正是天文學家們期待已久的重大發現。」熊少林說。

2016年，LIGO合作組宣布探測到引力波後，業界普遍認為引力波研究的下一個里程碑是發現引力波事件的電磁對應體。「這對研究引力波事件、宇宙學以及基礎物理具有不可替代的決定性作用。」科學家們認為，證實引力波確實存在，將徹底改變物理學對宇宙的認知。科學家將能夠由此來研究大爆炸事件的後續影響，還能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠的角落。源自大爆炸的引力波，還能幫助科學家更好地理解宇宙的構成。

空間科學重器：慧眼

６月１５日，中國首顆Ｘ射線天文衛星「慧眼」從酒泉衛星發射中心升空，這顆衛星全稱為硬Ｘ射線調製望遠鏡，由長征四號乙運載火箭送入５５０公里近地圓軌道。它將巡視銀河系中的Ｘ射線源，詳細研究黑洞和脈衝星，並監測伽馬射線暴，探索利用脈衝星為航天器導航。

它被命名為「慧眼」，寓意中國在太空「獨具慧眼」，能穿過星際物質的遮擋「看」宇宙中的Ｘ射線，也為紀念推動中國高能天體物理髮展的已故科學家何澤慧。

「慧眼」重約２．５噸，載荷重量９８１公斤，其上同時安裝了高、中、低能三組Ｘ射線望遠鏡，實際上是一座小型空間天文台。

「慧眼」的探測面積很大，尤其是高能望遠鏡的探測面積超過了５０００平方厘米，是國際上同能區探測器中面積最大的。「面積越大，探測到的信號就會越多，就越有可能發現其他望遠鏡看不到的現象。」參與衛星研製的科學家熊少林說。

「慧眼」的視場也很大，約兩天即可完成對銀道面的掃描，有利於監測暫現源。

「慧眼」是建立在中國科學家李惕碚和吳枚提出的直接解調成像方法之上的準直型望遠鏡，因此它還具有觀測亮源的優勢。

在「慧眼」首席科學家張雙南的建議下，在不增加和更改軟硬體的前提下，只要對探測器工作高壓做適當調整，高能望遠鏡主探測器中原本用於屏蔽本底Ｘ射線光子的碘化銫晶體就可用來觀測伽馬射線暴了。這一創新設想將「慧眼」的觀測能區進一步推高到３ＭｅＶ。

探尋「發脾氣」的黑洞

由於「慧眼」有較大的視場，對銀河系巡天是它最重要的使命。「我們預期會發現一些新的黑洞和中子星。」張雙南說。

神秘莫測的黑洞還隱藏著很多秘密。「黑洞能產生Ｘ射線等各種輻射，還有可能產生高能宇宙線以及強烈的噴流。它們究竟在幹什麼？現在人類只有二三十個黑洞的樣本，能發現更多當然好，對已發現的黑洞我們也希望研究得更清楚，找到黑洞只是開始。」張雙南說。

據他描述，黑洞有時很「冷靜」，有時很「暴躁」。當它「發脾氣」時，產生的Ｘ射線流強特別高。國外的衛星適合看「安靜」的黑洞，而「慧眼」特別適合看「暴躁」的黑洞和中子星。

「我們還不知道為什麼有些黑洞『發脾氣』，所以我們希望對銀河系的黑洞和中子星做比較詳細的普查。」張雙南說。

已經發現的引力波還沒有一個找到電磁對應體。如果只在一個波段觀測，往往信息是不完整的，所以我們非常希望看到引力波產生時也有Ｘ射線、伽馬射線或其他波段的信號，這些熟識的電磁波信號能幫助我們更好地認識引力波。

慧眼」有２００ｋｅＶ至３ＭｅＶ能區面積最大的伽馬暴探測器，是目前國際上最好設備的１０倍，預計一年可觀測到近２００個伽馬暴，在今後引力波電磁對應體的搜尋中有可能取得一錘定音的效果。

「如果能發現引力波的電磁對應體，這將成為『慧眼』最精彩的科學成果。」張雙南說。

中國貢獻

對天文學家們來說，這的確是一場千載難逢的科學盛宴：本次LIGO探測到的引力波信號持續百秒左右；引力波信號結束後大約2秒，美國費米衛星搭載的伽瑪暴監測器以及歐洲INTEGRAL望遠鏡搭載的SPI-ACS探測器，均探測到一個暗弱的短伽馬暴，跟引力波事件成協；其後幾天，光學望遠鏡還探測到該引力波源發出的X射線以及射電波段的電磁輻射。

在這場天文學史上極為罕見的全球規模的聯合觀測中，中國亦扮演了不可或缺的角色——引力波事件發生時，僅有4台X射線和伽瑪射線望遠鏡成功監測到了引力波源所在的天區，由國家國防科技工業局和中國科學院聯合資助建造的慧眼望遠鏡便是其中之一。

「雖然此前人們普遍預計像本次事件這樣近距離（約1.3億光年）的雙中子星併合產生的引力波閃將極為明亮，但事實是閃出乎意料的暗弱。」熊少林說，由於引力波在高能區的輻射十分微弱，一度沒有望遠鏡能在這個能區內探測到引力波閃。

最初為探測黑洞和中子星等銀河系內的X射線天體而設計的慧眼望遠鏡也不例外。「繼LIGO合作組2016年宣布探測到引力波後，發現引力波事件的電磁對應體成為最重要的天體物理問題之一。」鑒於此，中國科學院高能物理研究所對慧眼望遠鏡的部分性能進一步優化，增加了探測引力波電磁對應體的高能輻射的能力。

「在這些望遠鏡中，『慧眼』在0.2-5 MeV能區的探測接收面積最大、時間解析度最好，因此對引力波閃的百萬電子伏特（MeV）能區的伽馬射線輻射的探測能力最強。憑藉強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區的輻射性質給出了嚴格的上限。」熊少林表示。

不過，科學家們的目標不止於此。「如果專門探測引力波閃的引力波高能電磁對應體全天監測器項目能夠立即立項，並在2020年前發射升空，從而趕上與最佳靈敏度的LIGO和Virgo等引力波探測器進行聯合觀測，我國在引力波電磁對應體的探測研究上有望達到國際領先水平。」熊少林說。

本文由科貓平台編創，內容整理自新華社、經濟日報，圖片來源於網路。

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