GW170817是LIGO和VIRGO在2017年8月17日觀測到的引力波事件，其出自于兩個中子星并合在一起。在此之前觀測到的幾次引力波事件都是出自于兩個黑洞并合。。這次中子星并合事件的后續(xù)電磁現(xiàn)象也被很多種不同波段的望遠(yuǎn)鏡觀測到，這標(biāo)志著多信使天文學(xué)的新紀(jì)元已經(jīng)來臨。
觀測
1.
引力波信號持續(xù)長達(dá)100秒，顯示出兩個中子星并合所展現(xiàn)出的強(qiáng)度與頻率。通過三角測量與數(shù)據(jù)分析，從引力波抵達(dá)LIGO漢福德、LIGO利文斯頓與VIRGO這三個探測器位置在時間方面的延遲，可以準(zhǔn)確地給出波源的大致角度方向。
2.費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡（Fermi）與國際伽瑪射線天體物理實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）也偵測到短暫的伽馬射線暴“GRB 970508 170817A”，其發(fā)生在并合事件后的1.7秒時刻。這些探測器對于定位的靈敏度很有限，然而，它們給出的空間方向范圍與引力波探測器給出的方向范圍相互重疊，兩個事件之間相隔短暫的1.7秒。
3.約11小時之后，位于拉斯坎帕納斯天文臺的斯伍普望遠(yuǎn)鏡，在先前LIGO和VIRGO給出的引力波源區(qū)域，發(fā)現(xiàn)光學(xué)瞬變天文事件“AT 2017gfo”，其位于長蛇座的星系NGC 4993。在后來的幾天與幾周，又有多個望遠(yuǎn)鏡分別利用射線、紅外線、光學(xué)、X射線波段追蹤這并合事件的余輝，并且顯示出中子星并合的拋射物質(zhì)所應(yīng)具有的特性。
偵獲信息
引力波
此次引力波信號持續(xù)約100秒，頻率從24赫茲開始，增加至幾百赫茲，呈通常的旋近啁啾模式，最終以相互碰撞并且并合在一起來結(jié)束旋近過程。這個信號首先到達(dá)位于意大利的VIRGO探測器，過了22毫秒后到達(dá)位于美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO探測器，又過了3毫秒后到達(dá)LIGO漢福德探測器。
在并合事件發(fā)生的6分鐘之后，對于LIGO漢福德的數(shù)據(jù)進(jìn)行的電腦探索分析引發(fā)了“觸發(fā)”機(jī)制，這一信息通知給其他天文學(xué)研究團(tuán)隊。節(jié)由于在并合事件的約16秒之后，費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡的γ射線爆監(jiān)視系統(tǒng)（Gamma-ray Burst Monitor，F(xiàn)ermi-GBM）就已探測到伽馬射線暴，并且Fermi也發(fā)布了通知，宣布探測到伽馬射線暴，約在并合事件的40分鐘之后，LIGO/Virgo團(tuán)隊發(fā)布了報告，宣布非常可能發(fā)現(xiàn)了伴隨著伽馬射線暴的中子星并合事件，給出大致的引力波源位置
伽馬射線
費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡（Fermi）最先偵測到伽馬射線暴“GRB 970508 170817A”，其發(fā)生在并合事件之后的 1.7 秒時刻，并且持續(xù)了2秒。GRB 170817A被分類為短暫伽馬射線暴。在伽馬射線暴被偵測到的14秒后，費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡的觸發(fā)系統(tǒng)自動發(fā)布了通知，宣布探測到伽馬射線暴，提醒其他研究團(tuán)隊注意。之后，國際伽瑪射線天體物理實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）也偵測到這伽馬射線暴。從伽馬射線暴抵達(dá)兩個探測器的時間差，估算出伽馬射線暴的大致天空定位，這動作促使對于伽馬射線暴的準(zhǔn)確天空定位獲得改善。
雖然γ射線源NGC 4993離地球不遠(yuǎn)，[f]偵測到的信號相當(dāng)微弱，這可能是因?yàn)椴⒑线^程所生成的物質(zhì)噴流不是直接噴向地球，而是與地球視線呈30?角度。仔細(xì)分析費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)可以揭示，GRB 970508 170817A分為兩個組分。第一個組分是主脈波，其時期是從并合事件的0.320秒前至0.256秒后，它的最佳擬合是康普頓化函數(shù)，即被指數(shù)截止的冪定律。第二個組分是弱尾巴，其緊跟在主脈波之后，累積通量為主脈波的34%，頻譜類似軟黑體頻譜，溫度約為10^8K。
電磁波
其他研究團(tuán)隊的一系列通知與報告，促使了很多巡天調(diào)查與程控望遠(yuǎn)鏡立即進(jìn)行大規(guī)模探索。由于探索區(qū)域相當(dāng)廣泛，約為月球覆蓋天空區(qū)域的150倍，由于探索區(qū)域離太陽的角距離很近，因此只剩下在黃昏之后的幾個小時內(nèi)可以用來做觀測，因?yàn)樘剿鲄^(qū)域會很快地降到地平線以下。
在并合事件的10.87小時之后，斯沃普超新星巡天利用位于拉斯坎帕納斯天文臺，運(yùn)作波段為近紅外線的1米直徑斯沃普望遠(yuǎn)鏡，在NGC 4993影像里找到了光學(xué)暫現(xiàn)源的蹤跡。在這時刻的1小時內(nèi)，另外還有5個團(tuán)隊也拍攝到暫現(xiàn)源的蹤跡。它們分別是小于40百萬秒差距中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡、可見光和紅外巡天望遠(yuǎn)鏡、暗能量相機(jī)、拉斯坎帕納斯天文臺。斯沃普超新星巡天團(tuán)隊將這光學(xué)暫現(xiàn)源命名為“SSS17a”，后來被國際天文學(xué)聯(lián)合會（正式命名為“AT 2017gfo”。
經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡巡天，找到了一個新的暫現(xiàn)源和其所位居的宿主星系，并且給出的離地球距離跟單獨(dú)使用引力波所估算出的距離相符合。由于已偵測到光學(xué)源，因此定位的準(zhǔn)確性獲得大量改善，很多大型地基望遠(yuǎn)鏡與太空望遠(yuǎn)鏡能夠在之后的幾周持續(xù)地觀測光學(xué)源。在并合事件的15.3小時候，雨燕科衛(wèi)星開始偵測到明亮的紫外線。
在之后兩天里，隨著光學(xué)源的擴(kuò)張與降溫，光學(xué)源所發(fā)射出紫外線與藍(lán)色光變得黯淡，近紅外線變得更為明亮。約一個星期后，紅色光與近紅外線也開始變得黯淡。在并合事件的9天后，錢德拉X射線天文臺開始偵測到X射線；16天后，美國紐墨西哥州的甚大天線陣開始偵測到無線電。多過70個電磁波天文臺觀測到并合事件。
在首先偵測到光學(xué)源的30分鐘后，觀察團(tuán)隊獲得了光學(xué)源的頻譜，其在 400-1000nm 之間顯示出藍(lán)色與無特征的連續(xù)性波段，符合黑體模型的冪定律。藍(lán)色與無特征的連續(xù)性波段常見于激變變星與初期的核心縮超新星，因此雖然不很尋常，但也不是史無前例的行為。在并合事件的1.46天后，才出現(xiàn)明顯的特征。對于頻譜做黑體模型分析，可以得到以下結(jié)果：在并合事件的 11.75小時之后的1小時期間，光球半徑約從 3.3×1012m增加至 4.1×10^12m，溫度約從 11000K降低至 9300K，光球速度為光速的 30%；
AT 2017gfo的確是GW170817的后果，這可以由幾個強(qiáng)而有力的證據(jù)來證實(shí)：
光學(xué)源的顏色演化與頻譜不同于其它任何已知超新星。
在引力波探測器的天空定位區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)任何其它光學(xué)源。
在并合事件發(fā)生前的各種影像存檔里，在AT 2017gfo的位置并沒有找到任何星體，因此排除該星體是在銀河系里的前景變星的可能。
中微子
在觀測到GW170817的消息被發(fā)布之后，IceCube中微子觀測站、心宿二中微子望遠(yuǎn)鏡與皮埃爾·俄歇觀測站都嘗試探測伴隨的高能量中微子，然而在并合事件發(fā)生的500秒前后期間與14天期間，它們都沒有觀測到顯著的來自于GW170817的中微子。學(xué)者認(rèn)為，這是因?yàn)橹形⒆訃娏鞯膰娚浞较虿⒉皇侵赶?a href="/hebeideji/7196471799734190132.html">地球，而是與波源地球軸線呈大角度的差角距。假若能夠探測到中微子，則可揭露更多關(guān)于合并事件的信息，例如，并合事件所涉及到的強(qiáng)子的能量與密度、能量耗散機(jī)制。
并合細(xì)節(jié)
這次事件的引力波相當(dāng)響亮，是至2018年為止最響亮的一次，總信噪比為32.4。從分析觀測到的引力波數(shù)據(jù)，可以推論，這并合事件是因兩個中子星相撞而成。
假設(shè)自轉(zhuǎn)很快，則在90%可靠區(qū)域之內(nèi)，總質(zhì)量為2.73~3.29太陽質(zhì)量，兩個中子星的質(zhì)量分別為1.36~2.26太陽質(zhì)量和0.86~1.36 太陽質(zhì)量。根據(jù)先前觀察到的中子雙星數(shù)據(jù)。
假設(shè)自轉(zhuǎn)很慢，則在90%可靠區(qū)域之內(nèi)，總質(zhì)量為2.73~2.78太陽質(zhì)量，兩個中子星的質(zhì)量分別為1.36~1.60 太陽質(zhì)量和1.17~1.36 太陽質(zhì)量。
啁啾質(zhì)量是對于引力波信號做分析能夠獲得的關(guān)于量度質(zhì)量的最佳變量。GW170817的啁啾質(zhì)量為1.186~1.192太陽質(zhì)量。
重要性
在天文學(xué)里，GW170817是劃時代的里程碑事件。在正式宣布合并事件的那一天，吸引了全世界共襄盛舉。超過70臺陸基或空基天文臺的望遠(yuǎn)鏡對于這次事件進(jìn)行觀測。
GW170817是首次被偵測到發(fā)射引力波的中子星并合事件，它揭示中子星并合確實(shí)會發(fā)生，并且證實(shí)了中子星并合導(dǎo)致短暫伽馬射線暴與千新星。GW170817也是首次被偵測到兼然發(fā)射引力波與電磁輻射的天文事件，因此將引力波的觀測與天文學(xué)其它領(lǐng)域連結(jié)在一起。這關(guān)鍵的連結(jié)可以用來給出另一種量度宇宙膨脹速率的方法，從而確認(rèn)或校正先前用其它方法獲得的結(jié)果。GW170817能夠?qū)τ诓⒑鲜录o出更為詳細(xì)的描述：從觀測獲得的電磁現(xiàn)象數(shù)據(jù)，能夠?qū)Σ⒑鲜录o予準(zhǔn)確定位，并且辨認(rèn)出它的寄主星系，還能夠研究并合事件所排放出物質(zhì)的物理行為，例如，相對論性噴射與非相對論性噴出物的來龍去脈。
這次并合事件對于短暫伽馬射線暴給出解釋。自從1990年代以來，天文學(xué)界普遍認(rèn)為短暫伽馬射線暴是來自于中子星并合，然而苦無實(shí)證。經(jīng)過這次并合事件，證實(shí)任何伴隨著引力波事件的伽馬射線暴應(yīng)是源自于中子星并合。由于這次短暫伽馬射線暴事件發(fā)生的位置比先前任何類似事件近十倍，因此科學(xué)家可以更容易研究其物理行為。然而，偵測到的信號相當(dāng)微弱，這可能是因?yàn)椴⒑线^程所生成的物質(zhì)噴流不是直接噴向地球，很多伽馬射線暴的信號顯得很微弱的原因，不是因?yàn)樗麄冸x地球很遠(yuǎn)，而是因?yàn)樗鼈兊膰娏鞣较虿皇侵苯映虻厍颉?/p>
這次并合事件證實(shí)了千新星存在，更詳細(xì)地說，千新星是因中子星并合而產(chǎn)生的天文現(xiàn)象。中子雙星的旋近與并合會排放出很多豐中子的原子核，其會通過一系列捕獲中子而快速增長(R-過程)，然后又通過放射性衰變快速變?yōu)榱硪环N化學(xué)元素。千新星的驅(qū)動倚賴的就是R過程的放射性衰變。之前于2013年6月，就曾經(jīng)觀察到一次千新星，但是由于發(fā)生位置離地球很遠(yuǎn)，因此信號極為微弱。這次千新星的信號很強(qiáng)烈，非常明顯地展示出中子雙星并合后的R過程。另外，在中子雙星四周的排放物質(zhì)因R過程而發(fā)射出的大量光波，會因?yàn)橹卦匚账{(lán)波段而變得越來越紅。令人驚訝的是，這次千新星所展示出的行為跟理論預(yù)測相當(dāng)一致。
這次并合事件得出一個結(jié)論，即很可能所有的重元素都是源自于千新星的R過程。經(jīng)估算，這次事件制成的重元素約為6 %太陽質(zhì)量，其中，金元素約占200地球質(zhì)量、鉑元素約占500地球質(zhì)量。對于中子星合并能夠制成所有宇宙的金元素、白金元素的理論，以及中子星合并能夠制成約一半數(shù)量所有比鐵元素還重的元素的理論，這次事件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)力支持。
對于電磁波與引力波之間的波速差，GW170817給出上限。假定第一顆光子的發(fā)射時間是在引力波發(fā)射峰值時間之后的1秒至10秒之間，則引力波與電磁波之間的波速差被限制在光速乘以 ?(3×10^-15) 與 +(7×10^-16)之間，比先前的上限改善了14個數(shù)量級。 ? ? GW170817可以用來檢試等效原理（通過引力時間延遲效應(yīng)測量）與亨德里克·洛倫茲不變性。
廣義相對論無法對于宇宙加速膨脹給出解釋，因此，很多種替代理論試圖以暗能量的概念來解釋宇宙加速膨脹。 ? GW170817排除了某些替代理論。例如，嚴(yán)格約束標(biāo)量張量理論與郝拉法引力、對于雙度規(guī)理論設(shè)定引力子質(zhì)量上限、駁回暗物質(zhì)仿真理論。GW170817還證實(shí)，傳播于時空的引力波，也會如同電磁波一般，被暗物質(zhì)彎曲時空效應(yīng)所影響。總括而言，由于GW170817對于引力波與電磁波的波速差所給出的嚴(yán)格限制，任何新式的替代理論，必須假設(shè)引力波與電磁波的傳播速度相等。
像GW170817 這一類的引力波信號可以被用為標(biāo)準(zhǔn)警笛，其能給出另一種量度哈勃空間望遠(yuǎn)鏡常數(shù)的方法。
參考資料 >
GCN/FERMI NOTICE.GCN.2018-12-04
Colliding stars spark rush to solve cosmic mysteries.Nature.2018-12-04
Strong constraints on cosmological gravity from GW170817 and GRB 170817A.Conrll University Library.2018-12-04
GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators.Cornell University Library.2018-12-04