「極為可信的坊間傳聞」：雙黑洞之後，LIGO劍指雙中子星併合？

兩個正在併合的中子星，互相旋近並輻射出引力波，但相比雙黑洞系統更難發現。然而，它們應該具有光學對應體，有可能成為引力空間和電磁天空關聯起來的第一類天體，圖片來源：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc。

整理 | 呂浩然

責編 | 徐 可

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

去年2月，激光干涉儀重力波天文台LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）首次實現了直接探測引力波，這一物理界的一個「聖杯」由愛因斯坦「設計」，一度被束之高閣長達百年之久。

然而，這其實並不是一個孤立的事件，因為那只是LIGO一直持續曝光的此類事件中的第一個，或者說，LIGO及其背後的科學家們並沒有將此作為最終的目標。就在LIGO已經運行的這段時間裡，至少三個比較強烈的信號已經證明，遠在十億光年之外的兩個大質量恆星級雙黑洞合併所產生的引力波的輻射，強烈到可以穿過浩瀚的宇宙，最終被LIGO捕捉到。

而在近日，一則「坊間傳聞」震動學界，美國福布斯新聞網（Forbes.com）報道稱：繼去年2月LIGO的發現之後，科學家又面臨著新的可能性，在VIRGO（歐洲引力波天文台）加入引力波探測之後，LIGO可能已經進入到了下一個引力波現象的探測前沿：雙中子星合併。

之所以稱之為「坊間傳聞」是因為，與引力波探測器合作的科學家並不會對這些傳言發表評論，而應以分析之後的官方說法作準。而此次的信源則是一位天文學家的個人推特。

已知的LIGO雙黑洞系統（藍色），包括三個確認的和一個候選體。作為比較，中子星應該不超過3個太陽質量，圖片來源：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)。

此次傳聞始於德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家J.Craig Wheeler。8月18日，他在推特上寫道:「新LIGO，帶有光學對應源。吹飛你的襪子!（New LIGO.Source with optical counterpart. Blow your sox off!）」。然而，在這則消息引燃輿論之後，他可能也意識到了消息引起的轟動效應，並於23日上午進行了道歉，他寫道：「不論對錯，我都不應該發布那條推特。LIGO應該在他們認為合適的時間發布，我也應對此負責（Right or wrong, I should not have sent that tweet. LIGO deserves to announce when they deem appropriate. Mea culpa.）」。然而，儘管Wheeler致歉，到底雙中子星合併是否被LIGO確認探測到的疑雲卻仍未被揭開。

J.Craig Wheeler在Twitter上8月18日及隨後的發言截圖。

但如果雙子星合併事件被最終確認，這樣的探測則標誌著天文學的一個新時代即將到來：在這個時代，傳統的望遠鏡都可以看到現象，也可以「聽到」在時空結構上的振動。「在我們的理解中，這將是一個不可思議的進步，」伊利諾伊大學厄巴納香檳分校（University of Illinois at Urbana）的天體物理學家Stuart Shapiro說[1]。

據福布斯新聞網介紹，中子星合併與黑洞合併主要有三個區別：由於中子星的質量較小但體積較大，它們發射的引力波信號幅度較小，並且發生在一個較長的時間周期上。然而，與以前的合併相比，這個信號在更長的時間內是可預測的：有可能是數秒、數分鐘，甚至數小時之久，而與之前的大質量黑洞僅持續幾分之一秒不同[2]。

也就是說，因為雙中子星合併所產生的信號強度問題，我們必須要找到比雙黑洞距離地球更近的雙中子星，才能一窺其真容。就目前LIGO和VIRGO的設置，這個範圍遠比雙黑洞的要小，僅為數億光年。而要想獲得同雙黑洞合併相同幅度的信號，合併的雙中子星與地球的距離要比雙黑洞的距離小近10倍。不僅如此，兩個緻密中子星的合併應該會有光學對應體產生，這也與兩黑洞合併完全不同。

兩個中子星的旋進和合併應該產生非常特定的引力波信號，但合併的時刻也應該產生唯一和可識別的電磁輻射，圖片來源：NASA

此外，預測雙中子星合併發生的頻率是一項艱巨的任務。我們不知道存在有多少的雙黑洞，而引力波天文學也僅僅只是開始向我們展示這類天體的存在。如果中子星合併只有黑洞合併的十分之一的幅度的話，這意味著它們只是黑洞距離的十分之一，這也意味著LIGO/VIRGO對中子星敏感的空間體積只有可探測黑洞體積的千分之一。為了有機會看到合併的中子星，其數量必須是併合黑洞數量的數百倍。

這裡展示的是高新LIGO的範圍和其探測併合黑洞的能力。併合中子星可能只有十分之一的範圍和0.1％的體積，但如果中子星數量足夠多，LIGO探測到它們也就成為可能。（圖片來源：LIGO Collaboration/Amber Stuver/Richard Powell/Atlas of the Universe）

但事實可能就是這樣！如果我們不看就沒有成功的機會，只要引力波天文台在運行，尋找中子星的任務便能一直進行下去。相關的模板計算也很容易（儘管計算量有些大），這也意味著如何從原始數據中提取信號才是我們所面臨的問題。當三個天文台同時運行時，不僅LIGO/VIRGO會更加靈敏，而且還可以進行三角定位。如果這些事件中有一個發生了，我們將第一次有機會精確地確定該事件在空間中的位置。

在兩個中子星旋近和合併期間，應該會釋放巨大的能量，以及重元素、引力波和電磁波信號，圖片來源：NASA/JPL

所以，此次傳聞會不會成為雙中子星合併的第一個證據呢？雖然有科學家向《知識分子》透露，這次的傳聞的可信度極高，但就目前為止，它還僅是一個「謠言」，而不是任何參與合作人員的官方發布，但LIGO目前為止的行動或能從側面說明。

儘管黑洞有吸積盤，但所期望的雙黑洞產生的電磁波信號應該是不可觀測的。如果存在一個電磁對應體，它應該是由雙中子星產生的，圖片來源：NASA/Dana Berry（Skyworks Digital）

目前，LIGO的發言人David Shoemaker並沒有否認這個謠言，或者說沒有否認在數據中存在有與以往看到的信息不同的可能性。他表示，「一次非常令人興奮的觀測運行即將在8月25日結束。我們期待屆時舉行一次高規格的發布會」。而在8月25日，LIGO-VIRGO合作發布了其最高級別的更新並表示，「在我們的初步分析中，一些有希望的引力波候選體已經從LIGO和VIRGO的數據中得到了確認，我們也分享了我們目前已知的天文觀測夥伴的信息。我們正在努力確保候選體是有效的引力波事件，也需要時間來確定為科學界和更大的公眾帶來任何結果所需的信心。一旦我們準備好，我們就會讓你們知道」[4]。

在「坊間傳聞」公布的四天後（8月22日），哈勃望遠鏡觀察到一個雙中子星合併候選體。這可能是一個所推測的電磁波信號的位置嗎？（圖片來源：Digitized Sky Survey / STScI）

正如福布斯報道所提到的，我們正處在歷史上一個令人難以置信的時刻：引力波天文學觀測科學誕生之時。未來幾十年將揭示一系列「第一次」，這些應包括第一次雙中子星合併，第一次定位引力波源，以及第一次關聯引力波與電磁信號。這也將是繼雙黑洞引力波之後，天文界又一次轟動性的發現。現在所有人的目光都聚焦在LIGO身上，等待其官方公布的結果，究竟是確認還是闢謠了！

就此次事件，《知識分子》聯繫到了中科院引力波先導電磁波對應體的課題負責人之一、國家天文台陸由俊研究員，請他對此次「傳聞」進行評述：

《知識分子》：您認為此次消息的可信度有多少？

陸由俊：這是一個非常令人激動的消息。據我了解，坊間流傳的aLIGO已探測到雙中子星並和事例的可信度很高，但還需要進一步的確認。

《知識分子》：這個事件如果是真的，它和之前的三個黑洞併合產生的引力波事件又有什麼區別？

陸由俊：雙中子星併合與黑洞併合引力波事件很不一樣，主要體現在以下幾個方面：

一、中子星質量相對於已探測到的黑洞併合事件中的黑洞質量要小10倍，甚至更多。相對於黑洞併合，雙中子星併合發射的引力波的幅度更小。

二、中子星併合引力波事件必然伴隨有高能電磁和中微子爆發等，而雙黑洞併合即使可能有電磁對應體，也比較暗弱。

三、引力波天文台的空間定位一般很不準確，無法給出波源的宿主星系位置。而利用雙中子星並和的電磁對應體信號等，可以很容易確定引力波源的空間位置和宿主星系。而雙黑洞併合引力波源還未發現有電磁對應體，因而難以確認波源的起源。

《知識分子》：之前引力波源的方向定位不準，那麼此次情況為何不同？

陸由俊：據傳，在這個源的引力波被探測到的同時，空間高能衛星也探測到了伽瑪暴，在時間和方向上與引力波源一致，從而可以較好地確定方位。

《知識分子》：據您所知，國內的天文學家是否參與了引力波電磁對應體的跟蹤觀測？

陸由俊：是的。在去年2月LIGO首次公布引力波直接探測結果之後，中國科學院就組織布局了引力波研究的B類先導項目，力圖從多個方面在全波段範圍對引力波宇宙開展研究。在此項目支持下，國內天文學家組織了全國性的引力波電磁對應體的搜尋和跟蹤觀測網路，並加入了aLIGO／VIRGO科學合作組，對aLIGO／VIRGO引力波天文台預警的引力波源進行快速的電磁對應體搜尋。

就此次的引力波時間而言，如果它確實如文中所述發生在NGC4993星系，它的位置在南天（緯度：-23度），而中國境內的望遠鏡都在北天，所以很難參加觀測。

《知識分子》：從此次事件來看，雙中子星並和與雙黑洞並和事件的相對數目是多少？

陸由俊：因為中子星並和產生的引力波相對較弱，aLIGO只能探測發生在離我們較近的和較小的一個體積範圍內的事件。從這個事例和已探測到的幾個黑洞並和事件來看，中子星並和事件發生率可能比雙黑洞並和事件要高一個量級，這比理論預期的可能要高几倍。

《知識分子》：天文學家能從中子星並和產生的引力波事件學到哪些新物理？

陸由俊：中子星並和發射的引力波信號與中子星的內部結構及物態有關，結合引力波信號、電磁和中微子等多信使觀測，可以揭示中子星的結構和物態，限定中子星的半徑和質量上限等，解決長久以來的中子星內部結構和物態不確定這一問題。

同時，中子星併合可產生短伽瑪暴，利用包括引力波的多信使觀測可以揭示短伽瑪暴的中心能源機制。另外，中子星並和的引力波輻射和電磁信號提供了一個嶄新的探測宇宙演化的標準汽笛，籍此可以探測暗物質和暗能量的本質。

參考文獻：

[1,2] Beyond Black Holes: Could LIGO Have Detected Merging Neutron Stars For The First Time? Forbes, August 23th. (https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/08/23/beyond-black-holes-could-ligo-have-detected-merging-neutron-stars-for-the-first-time/#241e2746fbdd)

[3,4] Rumours swell over new kind of gravitational-wave sighting, Davide Castelvecchi, Nature. (http://www.nature.com/news/rumours-swell-over-new-kind-of-gravitational-wave-sighting-1.22482)

（註：特此鳴謝中國國家天文台苟利軍、董艷婷對本文的支持。）

製版編輯：呂浩然丨

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