新天文時(shí)代：人類用電磁波和引力波邊聽(tīng)邊看宇宙

望遠(yuǎn)鏡是眼睛的延伸

千百年來(lái)，人類一直是在用眼睛或眼睛的延伸（望遠(yuǎn)鏡）來(lái)“看”宇宙。古人用肉眼就可以看到日月星辰和銀河系。后來(lái)，伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，使得人類可以用更強(qiáng)大的“眼睛”去觀測(cè)宇宙。我們?nèi)搜劭吹降目梢?jiàn)光只是電磁波一個(gè)非常窄的波段，在可見(jiàn)光之外有更長(zhǎng)的長(zhǎng)波如紅外，微波和射電波及更短的短波如紫外，X射線和伽馬射線。人們于是在這些波段建造了更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙進(jìn)行全面觀測(cè)。然而，所有這些觀測(cè)都是用光子信使來(lái)傳遞信息的。

傳遞宇宙信息的其它信使

我們知道宇宙有四大相互作用。光子是電磁相互作用的傳播媒介。除了電磁相互作用以外，還有三種相互作用，分別是弱相互作用，強(qiáng)相互作用和引力相互作用。弱作用和強(qiáng)作用是短程力，其傳遞媒介不能夠傳播很遠(yuǎn)，但它們的產(chǎn)物，即中微子和宇宙線，卻能夠從遙遠(yuǎn)的天體到達(dá)我們。這兩種宇宙信使由于時(shí)間關(guān)系我們今天不做介紹。

第四種相互作用是引力相互作用。和電磁相互作用一樣，引力是長(zhǎng)程力。與引力相對(duì)應(yīng)的波動(dòng)是引力波。這是一種非常微弱的波動(dòng)。人類歷史上最偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦在1915年提出了著名的廣義相對(duì)論。引力波是廣義相對(duì)論的預(yù)言。整整一百年之后，也就是在2015年，人類才首次探測(cè)到了引力波。

奇妙的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程和引力波

聽(tīng)說(shuō)做科普報(bào)告的時(shí)候，如果寫一個(gè)公式，有一半的觀眾就會(huì)走掉，但是我還是要硬著頭皮寫下來(lái)這個(gè)公式。這是因?yàn)閮蓚€(gè)原因：第一，能來(lái)到未來(lái)論壇的觀眾不是一般觀眾；第二，這個(gè)公式太漂亮了，不得不把它介紹給大家。這就是著名的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程。

愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程是用來(lái)求解時(shí)空結(jié)構(gòu)的演化的。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)所謂“引力”其實(shí)可以描述為時(shí)空的彎曲。在廣義相對(duì)論里其實(shí)沒(méi)有引力，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程只是描述如何把物質(zhì)和能量（方程的右邊）與時(shí)空彎曲（方程的左邊）聯(lián)系起來(lái)。把方程從左讀到右講的是宇宙中的物質(zhì)和能量分布如何可以引起時(shí)空彎 曲，把方程反過(guò)來(lái)讀講的是彎曲的時(shí)空如何決定物質(zhì)怎樣運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)張量方程，全部寫出有16個(gè)方程（考慮度規(guī)張量的對(duì)稱性獨(dú)立方程有10個(gè)）。數(shù)學(xué)上非常復(fù)雜，但物理上非常簡(jiǎn)單。更重要的是，無(wú)論你在哪個(gè)參照系，比如在地球上，在太空中，在黑洞旁邊，甚至在黑洞里，這個(gè)公式都是普適的，唯一不同的是方程的解（所謂時(shí)空度規(guī)）不同，亦即時(shí)空結(jié)構(gòu)不同。

如果只是一個(gè)平坦的時(shí)空加一點(diǎn)小小的擾動(dòng)，就像平靜的湖水被微風(fēng)吹了一下，這個(gè)方程就會(huì)簡(jiǎn)化很多。方程左邊的擾動(dòng)項(xiàng)可以允許被寫為對(duì)時(shí)間和空間二階導(dǎo)數(shù)之和（時(shí)空項(xiàng)符號(hào)相反）。這時(shí)如果方程右邊取零的話（遠(yuǎn)離引力源），方程就簡(jiǎn)化為物理學(xué)家熟悉的波動(dòng)方程。這個(gè)方程的解就是“引力波”，時(shí)空本身的漣漪。

引力波的數(shù)學(xué)形式和物理意義在今天是顯而易見(jiàn)的，但是愛(ài)因斯坦花了20年的時(shí)間才說(shuō)服自己引力波是確實(shí)存在的。又過(guò)了近30年時(shí)間，人們才確信引力波是攜帶能量的，因此是可以探測(cè)的。

人類首次探測(cè)到引力波

當(dāng)人們還在討論引力波的概念時(shí)，有些人就開(kāi)始設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)去直接探測(cè)引力波了。韋伯設(shè)計(jì)了歷史上第一個(gè)引力波探測(cè)器并宣稱成功探測(cè)到了引力波，但是他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后人無(wú)法重復(fù)，被證明結(jié)論是錯(cuò)誤的。真正意義上開(kāi)始研制今天使用的激光干涉引力波探測(cè)器是從20世紀(jì)60年代，也就是廣義相對(duì)論發(fā)表差不多50年后才開(kāi)始的。從麻省理工學(xué)院韋斯教授討論激光干涉儀概念到2015年9月14日LIGO探測(cè)器首次探測(cè)到引力波，又過(guò)了大約50年。

第一例引力波事件，即GW150914（以探測(cè)日期命名），起源于兩個(gè)約為35和30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的并合，最終形成一個(gè)約62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的大黑洞。從此 人類進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代。因?yàn)橐Σㄊ且环N全新的信使，可以比喻為一種新的感官。從某種意義上講，人類現(xiàn)在可以用引力波來(lái)“聽(tīng)”宇宙了。

兩年以后，2017年8月17日，LIGO第一次探測(cè)到了兩個(gè)中子星的并合以及它的多波段電磁輻射對(duì)應(yīng)體。人類第一次可以用引力波和電磁波邊“聽(tīng)”邊“看”宇宙。

天體的演化及最終產(chǎn)物

在講述宇宙中的引力波源之前，我們先講講宇宙中有哪些天體以及它們?nèi)绾窝莼?。一個(gè)人的一生乃至整個(gè)人類歷史在漫長(zhǎng)的宇宙演化過(guò)程中只是一瞬間，人們無(wú)法觀測(cè)到一顆恒星從生到死的演化。然而通過(guò)觀測(cè)許多處于不同演化階段的恒星并利用普適的物理規(guī)律，天體物理學(xué)家們能夠理解天體的演化。

歸根到底，理解天體演化就是理解各種天體如何抗衡引力。任何有質(zhì)量的東西都有引力，引力的目的就是把所有東西都相互吸引，聚集起來(lái)，最后變成黑洞。宇宙中除黑洞外的所有星體都有某種機(jī)制抗衡引力，比如我們的太陽(yáng)由熱核反應(yīng)產(chǎn)生的熱壓強(qiáng)可以抵御引力。假如有一天太陽(yáng)核燃料燒盡了，太陽(yáng)中心就會(huì)由于不能抗衡引力而坍縮。

天體引力坍縮的最終結(jié)局與它的初始質(zhì)量有關(guān)。如果質(zhì)量不是很大，比如像太陽(yáng)，最后會(huì)產(chǎn)生白矮星（WD），一種由所謂電子簡(jiǎn)并壓抵御引力的天體。 這種天體把太陽(yáng)質(zhì)量大小的東西擠進(jìn)了地球大小的尺度。如果恒星的初始質(zhì)量再大一點(diǎn)，坍縮后的天體超過(guò)1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量左右，最終的產(chǎn)物比白矮星要小的多，半徑10公里左右，只有一個(gè)小城市大小。這種產(chǎn)物由所謂中子簡(jiǎn)并壓抵御引力，叫中子星（NS）。大家知道，所有原子都是由原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu) 成的，原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。形象地理解，當(dāng)引力足夠強(qiáng)時(shí)，所有的電子都被擠進(jìn)原子核里與質(zhì)子結(jié)合為中子，所以中子星基本上由 中子組成。

如果天體的質(zhì)量再大，中心質(zhì)量超過(guò)某個(gè)質(zhì)量上限的話（介于2到3倍太 陽(yáng)質(zhì)量之間），沒(méi)有任何機(jī)制可以抗衡引力，該天體就形成了黑洞（BH）。

黑洞是宇宙中最神秘也是最簡(jiǎn)單的天體。它的引力足夠強(qiáng)，以至于宇宙中傳播速度最快的光都無(wú)法逃離。它的尺度，所謂的史瓦西半徑，可以用以上簡(jiǎn)單公式描述，其中G是萬(wàn)有引力常數(shù)，c是光速。對(duì)于任何質(zhì)量的東西，只要能把全部物質(zhì)擠進(jìn)這個(gè)尺度半徑的球體內(nèi)，就會(huì)變成黑洞。這是個(gè)很小的尺度，對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，要把它擠進(jìn)半徑為3公里的球體里才可以成為黑洞。地球要變成黑洞需要被擠進(jìn)半徑小于1厘米的球才可以。在天體物理中通過(guò)恒星演化不可能產(chǎn)生低于2倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。

猛烈的宇宙

宇宙看似平靜，但其實(shí)是猛烈的。恒星演化產(chǎn)生的致密天體，包括黑洞和中子星，是宇宙中劇烈活動(dòng)的天體源（如下圖所示）。單個(gè)中子星快速旋轉(zhuǎn)會(huì)由于燈塔效應(yīng)產(chǎn)生射電脈沖，一些與中子星有關(guān)的天體會(huì)發(fā)射短暫且明亮的快速射電暴，在雙星中的中子星會(huì)從伴星吸積物質(zhì)發(fā)生X射線爆發(fā)，一些極強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星會(huì)由于此活動(dòng)產(chǎn)生軟伽馬射線爆發(fā)。

大質(zhì)量恒星死亡會(huì)伴隨超新星爆發(fā)現(xiàn)象，有些極端的超新星還會(huì)伴隨伽馬射線暴。星系中心的大質(zhì)量黑洞由于突然吞噬大量物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生多波段爆發(fā)。兩個(gè)黑洞，兩個(gè)中子星，或一個(gè)中子星一個(gè)黑洞在并合的時(shí)候也會(huì)伴隨著包括引力波在內(nèi)的劇烈的觀測(cè)現(xiàn)象。

哪些天體輻射強(qiáng)引力波

什么樣的天體是強(qiáng)引力波輻射源呢？要回答這個(gè)問(wèn)題需要從引力波輻射的原理說(shuō)起。我們知道我們熟悉的電磁輻射是所謂的偶極輻射，當(dāng)一個(gè)電荷加速時(shí)就能產(chǎn)生輻射。引力波是由運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量引起的，因?yàn)橘|(zhì)量沒(méi)有正負(fù)之分，引力波輻射是所謂的四級(jí)輻射。換句話來(lái)說(shuō)，不僅質(zhì)量需要加速，加速度本身也要有加速度（隨時(shí)間變化）才能輻射引力波。聽(tīng)起來(lái)比較難實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上所有相互繞轉(zhuǎn)的天體都自然而然是引力波源。為什么？因?yàn)樵诶@轉(zhuǎn)的過(guò)程中，它們的加速度方向亦即萬(wàn)有引力的方向都在隨時(shí)間不斷變化，所以所有的雙星都能產(chǎn)生引力波。

關(guān)鍵是大部分雙星產(chǎn)生的引力波太弱了。簡(jiǎn)單起見(jiàn)我們可以考慮兩個(gè)相同質(zhì)量的天體相互繞轉(zhuǎn)，其引力波輻射功率（或引力波光度）可以寫作如下簡(jiǎn)單公式：

我們可以先不考慮f（e），因?yàn)槿绻壍澜鼒A的話它基本等于1?？梢钥闯觯Σü舛葲Q定于一個(gè)由基本常數(shù)決定的量（光速的5次方除以引力常數(shù)）和一個(gè)（rs/ a）^5因子的乘積，其中rs就是前面提到的史瓦西半徑，也就是星體質(zhì)量對(duì)應(yīng)的黑洞半徑（比如太陽(yáng)的史瓦西半徑只有3公里），而a是雙星軌道的半長(zhǎng)軸（對(duì)圓軌道就是半徑）。因?yàn)橐话鉹s遠(yuǎn)小于a，再加上5次方，所以這個(gè)因子是非常非常小的。也就是一般雙星的引力波輻射微乎其微。

什么樣的源產(chǎn)生引力波非常強(qiáng)呢？根據(jù)以上公式，只有a小到接近于rs的時(shí)候引力波輻射才會(huì)最強(qiáng)。這要求并合的星體要足夠致密，即它的真正尺度要非常接近史瓦西尺度（顯然太陽(yáng)和一般恒星不滿足此要求）。雙黑洞并合首當(dāng)其沖，因?yàn)閮蓚€(gè)黑洞的距離a原則上可以小到只有2倍rs。中子星是第二種足夠致密的天體。因?yàn)槠涑叨缺认鄳?yīng)的史瓦西尺度大了兩倍多一點(diǎn)，所以中子星和黑洞的并合或雙中子星的并合也可以給出足夠強(qiáng)的引力波輻射。

當(dāng)并合發(fā)生時(shí)，在當(dāng)?shù)匾Σǖ墓β适欠浅４蟮摹５怯捎谶@些并合天體距離地球非常遙遠(yuǎn)，當(dāng)引力波到達(dá)地球時(shí)信號(hào)已經(jīng)非常微弱。弱到什么程度？引力波作為時(shí)空的波動(dòng)，其強(qiáng)度可以用空間尺度的相對(duì)變化來(lái)描述。我們探測(cè)到的引力信號(hào)這個(gè)值差不多是10^-22，這是非常非常小的。對(duì)于LIGO探測(cè)器4公里的臂長(zhǎng)，探測(cè)到的擾動(dòng)只有質(zhì)子半徑的千分之一左右。這需要非常精密的儀器，這也是為什么人類需要花一百年的時(shí)間才最終探測(cè)到引力波。

LIGO探測(cè)引力波的原理是什么

現(xiàn)在的引力波探測(cè)器（LIGO和Virgo）用的是激光干涉儀，其工作原理如視頻所示。從光源發(fā)出的激光由分光鏡分為兩束射向探測(cè)器相互垂直的兩臂，在兩臂的遠(yuǎn)端懸掛兩面反射鏡，反射回來(lái)的光在分光鏡處會(huì)合發(fā)生干涉。在正常情況下兩臂長(zhǎng)相等，干涉條紋穩(wěn)定。當(dāng)引力波到來(lái)時(shí)，時(shí)空會(huì)有規(guī)律地?cái)_動(dòng)。當(dāng)一條臂變長(zhǎng)時(shí)，另一條臂會(huì)變短（雖然幅度非常?。?，反之亦然。激光的干涉條紋會(huì)有規(guī)律地發(fā)生變化，如果觀測(cè)到的變化符合理論預(yù)期，人們就能確認(rèn)引力波被探測(cè)到了。

“聽(tīng)”引力波

經(jīng)過(guò)幾十年的努力，LIGO團(tuán)隊(duì)終于在2015年9月14號(hào)的時(shí)候探測(cè)到首例引力波事件（GW150914）。引力波探測(cè)到的信號(hào)是什么樣的？下面視頻顯示GW150914的探測(cè)圖，橫軸是時(shí)間，縱軸是頻率。我們可以看到隨著時(shí)間增加頻率也增加，這是因?yàn)樵诓⒑锨皟蓚€(gè)黑洞的距離越來(lái)越近，互相繞轉(zhuǎn)頻率越來(lái)越快。這個(gè)隨時(shí)間頻率的演化如果用我們熟悉的聲波來(lái)聽(tīng)就像是鳥的啁啾聲（chirp）。

值得注意的是LIGO有兩個(gè)探測(cè)器。這兩個(gè)探測(cè)器相距幾千公里。之所以這樣做是因?yàn)橐Σㄌ綔y(cè)器是非常精密的儀器，一點(diǎn)小小的擾動(dòng)，比如一個(gè)人拍籃球或一輛汽車開(kāi)過(guò)都有可能在一個(gè)探測(cè)器產(chǎn)生可探測(cè)信號(hào)。只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器都探測(cè)到相似的信號(hào)時(shí)，人們才能確認(rèn)信號(hào)真正來(lái)自天外。

伽馬射線暴

花開(kāi)兩朵，各表一枝。下面我們介紹另外一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域，這就是關(guān)于伽馬射線暴起源的問(wèn)題。

下圖是伽馬射線的天圖，中間很寬的帶是銀盤。在某一時(shí)刻，在一個(gè)隨機(jī)方向會(huì)突然發(fā)生伽馬射線爆發(fā)，持續(xù)時(shí)間為10秒左右。當(dāng)它達(dá)到最亮?xí)r，其發(fā)射的伽馬射線流量超過(guò)了全宇宙伽馬射線流量的總和。

伽馬暴發(fā)現(xiàn)于1967年，即50年前左右。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，伽馬射線暴是天文學(xué)中的一個(gè)不解之謎。從觀測(cè)上，伽馬射線暴可根據(jù)持續(xù)時(shí)間分為兩類。以2秒為界：長(zhǎng)于2秒的叫長(zhǎng)暴，短于2秒的叫短暴。到1997年，即伽馬暴發(fā)現(xiàn)30年后，人們終于解決了長(zhǎng)暴的起源：大質(zhì)量恒星死亡的時(shí)候中心坍縮形成中子星或黑洞，并伴隨超新星爆發(fā)。在特殊條件下（如星體快速轉(zhuǎn)動(dòng)）中心天體可能會(huì)產(chǎn)生劇烈的噴流。當(dāng)噴流從星體中噴出后，其速度可以達(dá)到0.99995倍光速。當(dāng)噴流指向地球時(shí)，我們就看到了一個(gè)長(zhǎng)伽馬暴。

短于2秒伽馬暴（短暴）的起源卻一直困擾著天文學(xué)家們。2004年美國(guó)的Swift衛(wèi)星上天后，人們發(fā)現(xiàn)短暴的宿主星系是不同于長(zhǎng)暴的，而且伽馬暴在星系中也遠(yuǎn)離恒星形成區(qū)。這些都表明短暴不起源于大質(zhì)量恒星坍縮。它們很可能和一些致密天體相聯(lián)系。在2017年之前，主流模型認(rèn)為短暴起源于含中子星致密雙星的并合。這些致密雙星（BH-NS，NS-NS）并合源恰恰又是強(qiáng)引力波源。探測(cè)與引力波成協(xié)的短暴可以最終解決這一起源疑難。

重元素的起源

第三個(gè)完全獨(dú)立的科學(xué)問(wèn)題是重元素的起源。上圖是我們熟知的元素周期表，一共有100多種元素。元素的序號(hào)代表原子核中質(zhì)子的數(shù)目。天體物理能夠解答各種元素是如何形成的。最輕的元素（氫和氦以及少量的鋰）產(chǎn)生于宇宙大爆炸。恒星內(nèi)部發(fā)生核反應(yīng)可以產(chǎn)生稍重的元素，一直到26號(hào)元素鐵都能夠在恒星內(nèi)部產(chǎn)生。更重的元素的聚變不但不能放熱，還必須吸熱，它們不能在恒星內(nèi)部合成，只能通過(guò)其它渠道產(chǎn)生。

核天體物理認(rèn)為，比鐵重的元素，包括我們熟悉的貴重金屬金和銀是通過(guò)快中子俘獲產(chǎn)生的。這種核過(guò)程要求反應(yīng)區(qū)中子含量很高。這些中子會(huì)和重核快速結(jié)合形成富中子核，然后通過(guò)衰變產(chǎn)生序號(hào)更高的元素（中子變?yōu)橘|(zhì)子）。那么什么樣的環(huán)境是富中子的呢？過(guò)去多數(shù)人認(rèn)為超新星爆發(fā)能提供這樣的環(huán)境，但是也有一些科學(xué)家認(rèn)為含中子星的致密天體并合應(yīng)該是更有可能的。這是因?yàn)樵诓⒑锨?，中子星?huì)被潮汐力撕裂并有一些物質(zhì)被甩出。從中子星內(nèi)部甩出的物質(zhì)自然是富中子的，因此自然是制造重元素的理想場(chǎng)所。

這個(gè)問(wèn)題最早由華人科學(xué)家李立新（現(xiàn)北京大學(xué)教授）和他在普林斯頓大學(xué)的導(dǎo)師Paczynski教授做出研究。他們當(dāng)時(shí)是為了解答一位同事的疑問(wèn)：含中子星的并合應(yīng)該有什么觀測(cè)現(xiàn)象？?jī)晌话l(fā)表的一篇著名論文（如上圖）指出：由于快中子俘獲及隨后的元素衰變都會(huì)釋放能量，中子星并合應(yīng)該伴隨著一種比超新星暗一些的光學(xué)瞬變?cè)?，即后?lái)所謂的千新星。根據(jù)這一理論，我們地球上的金銀財(cái)寶都產(chǎn)生于太陽(yáng)誕生前的一次中子星并合。

引力波的變化與啁啾（來(lái)源：https://www.ligo.caltech.edu/video/）

第一例雙中子星并合的發(fā)現(xiàn)：邊“聽(tīng)”邊“看”

2017年8月17號(hào)，LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)探測(cè)到一個(gè)與其它事例不同的引力波事件。這是人類第一次探測(cè)到雙中子星并合事件。首先給大家聽(tīng)一下雙中子星并合的引力波是什么樣的（上面視頻）。前五個(gè)都是雙黑洞的并合，時(shí)間不到2秒鐘就并合了。最后一個(gè)是雙中子星并合，由于質(zhì)量比黑洞小，最后并合頻率要比黑洞系統(tǒng)高。由于中子星沒(méi)有黑洞致密，所以它們并合的引力波信號(hào)要弱一些。要探測(cè)它并合源距離地球要比較近才可以（這個(gè)源的距離約40Mpc，的確比其它黑洞并合源近許多），因此雙中子星并合源被引力波探測(cè)器探測(cè)到的時(shí)間長(zhǎng)。GW70817被探測(cè)到近60秒后才發(fā)生了最后的啁啾信號(hào)。由于這一特殊的觀測(cè)性質(zhì)，LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)可以很快確認(rèn)探測(cè)到的事件是中子星并合事件。

如前所述，理論上預(yù)期中子星并合事件應(yīng)有短伽馬暴和千新星與其成協(xié)。事實(shí)是怎樣的呢？令所有在此領(lǐng)域工作的天文學(xué)家歡呼雀躍的是：這些電磁對(duì)應(yīng)體都如約而至了。人類終于第一次用引力波和電磁波邊聽(tīng)邊看宇宙中最猛烈的事件之一：兩顆中子星的最后并合。

我把下圖稱為天體物理學(xué)中最美麗的圖像：最下面一欄是GW70817引力波信號(hào)，我們可以看到清晰的啁啾信號(hào)（發(fā)生事件為黑豎線）；上面三欄是兩個(gè)伽馬射線暴探測(cè)器三個(gè)能段的數(shù)據(jù)，我們可以看出在中子星并合約1.7秒（灰豎線）后，一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2秒左右的短暴（GRB170817A）被探測(cè)到了。這是兩個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域（引力波界和伽馬暴界）為解決兩個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題（探測(cè)引力波和解答短暴的起源）分別經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半世紀(jì)的努力，在這個(gè)特殊的天體事件上相隔1.7秒勝利會(huì)師！稱它最美麗一點(diǎn)也不過(guò)。

結(jié)合引力波信號(hào)和伽馬暴信號(hào)，人們很快縮小了這個(gè)并合事件在天空中方向的不確定度。另外引力波信號(hào)能給出該源的大致距離，所以天文學(xué)家們很快鎖定了幾十個(gè)在該天區(qū)的星系，然后開(kāi)始夜以繼日地觀測(cè)來(lái)搜尋其它波段的對(duì)應(yīng)體。終于在不到11小時(shí)的時(shí)間里捕捉到光學(xué)對(duì)應(yīng)體，又很快探測(cè)到該源的X射線和射電輻射。光學(xué)輻射特征基本符合預(yù)言的千新星的觀測(cè)特征，其它波段的輻射也基本符合短暴余輝的特征。千新星的成功探測(cè)證明雙中子星并合確實(shí)可以通過(guò)快中子俘獲過(guò)程制造重元素。巧合的是，因?yàn)樘焐稀吧a(chǎn)”黃金，17年8月17日當(dāng)日的金價(jià)應(yīng)聲而落。

成功與挑戰(zhàn)

GW170817/GRB170817A的成功探測(cè)既是觀測(cè)的成功也是理論的勝利。然而正如天文瞬變?cè)搭I(lǐng)域經(jīng)常發(fā)生的一樣，每一個(gè)舊的問(wèn)題的解答常常伴隨著更多的新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。具體到GW170817事件，目前的觀測(cè)不能夠完全解答以下問(wèn)題：并合的產(chǎn)物是什么？是一個(gè)黑洞還是一個(gè)超大的中子星？噴流的結(jié)構(gòu)是什么？看到的伽馬射線是怎樣產(chǎn)生的？這個(gè)短暴和其它更遠(yuǎn)更亮的短暴是什么關(guān)系？1.7秒的時(shí)間延遲是什么引起的？等等。

更進(jìn)一步的問(wèn)題：黑洞和中子星并合會(huì)發(fā)生什么？雙黑洞并合能產(chǎn)生弱的電磁信號(hào)嗎？各種致密星并合可以產(chǎn)生可探測(cè)的中微子嗎？解答這些問(wèn)題需要今后許多年更多的觀測(cè)和理論的發(fā)展。

未來(lái)前景

最后，我用“一二三四”做一個(gè)總結(jié)：

“一”個(gè)新興領(lǐng)域：由于引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體的成功探測(cè)，一個(gè)全新的領(lǐng)域即引力波天體物理誕生了。這個(gè)領(lǐng)域匯集了不同領(lǐng)域的同仁們，從不同的角度來(lái)研究由引力波探測(cè)帶來(lái)的新的天體物理課題。下圖是今年夏天在國(guó)內(nèi)第二屆引力波天體物理會(huì)議上我根據(jù)會(huì)議議程總結(jié)出的相關(guān)子領(lǐng)域。給年輕朋友一個(gè)好消息：這個(gè)領(lǐng)域是大有作為的！

“兩”個(gè)領(lǐng)域結(jié)盟：引力波電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)主要是使得引力和電磁兩大領(lǐng)域結(jié)盟。這可以從下面這篇多信使觀測(cè)GW170817/GRB170817A的文章看到。一般的天體物理文章可能少到一兩個(gè)多到幾十個(gè)作者。這篇文章下面密密麻麻列的并不是作者的名字，而是團(tuán)隊(duì)的名字。如果把所有人列出，這篇文章有3677個(gè)作者，其中引力波領(lǐng)域一千多個(gè)作者，電磁波領(lǐng)域兩千多個(gè)作者。是多信使天文讓大家聯(lián)手。可以預(yù)期，這兩個(gè)領(lǐng)域的對(duì)話將在今后日益深化。

“三”個(gè)時(shí)空尺度：以LIGO引領(lǐng)的地面引力波探測(cè)器已經(jīng)成功探測(cè)到恒星尺度的引力波（LIGO探測(cè)到的黑洞和中子星都是恒星演化的產(chǎn)物）。在星系尺度上星系中心的黑洞也會(huì)并合，探測(cè)它們發(fā)出的引力波需要更低頻，亦即更長(zhǎng)基線的探測(cè)器，歐美和中國(guó)的幾個(gè)空間項(xiàng)目（如LISA，太極和天琴）以及地面的脈沖星計(jì)時(shí)陣列將探測(cè)到在這個(gè)尺度的引力波。在更大的宇宙尺度，整個(gè)宇宙在大爆炸的極早期會(huì)產(chǎn)生引力波，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的一些望遠(yuǎn)鏡（包括國(guó)內(nèi)的阿里計(jì)劃）都在瞄準(zhǔn)這些信號(hào)。期待在今后幾十年的時(shí)標(biāo)里，人類真正可以用引力波研究所有的時(shí)空尺度。

“四”種信使，四大相互作用：如前所述，除了電磁波和引力波以外，天文學(xué)家還可以用中微子和宇宙線研究宇宙。這些領(lǐng)域的研究也在繼續(xù)。期待不遠(yuǎn)的將來(lái)人類能夠用四種信使來(lái)同時(shí)研究宇宙及其四大相互作用，最終揭開(kāi)宇宙神秘的面紗。（圖片由張冰教授提供，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)或張冰教授ppt）