引力波“三兄弟”

□ 北京師范大學(xué) 高 鶴、紫金山天文臺 吳雪峰、南京大學(xué) 戴子高

引力波“三兄弟”

□ 北京師范大學(xué) 高 鶴、紫金山天文臺 吳雪峰、南京大學(xué) 戴子高

由雙中子星產(chǎn)生的引力波藝術(shù)示意圖。圖片來源：Credits: R. Hurt/Caltech-J PL

圖中是一種由雙中子星形成伽瑪射線暴的示意模型，這樣兩個互相繞轉(zhuǎn)的中子星最后會并合成一個黑洞，在此過程中會產(chǎn)生吸積盤和噴流結(jié)構(gòu)。圖片來源：heasarc.gsfc.nasa.gov

2015年9月14日，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）有史以來第一次直接探測到了引力波事件：GW150914。這一激動人心的成果一經(jīng)報道，“引力波”三個字迅速成了家喻戶曉的名詞與茶余飯后的談資。作為這一偉大事件的見證者，我們每一個人都是幸運(yùn)的。然而由于背景不同，每個人對這一事件評價的角度也是不同的。對于天文學(xué)家，它意味著一個嶄新的天文觀測窗口被正式開啟，人類正式進(jìn)入到了引力波天文學(xué)時代；對于普通民眾，人們感慨著如此微弱的漣漪在浩瀚的宇宙中傳播了十幾億年竟然能被人類所捕獲。作為天文愛好者，在感慨的同時，一定希望能夠更加深入地了解一些“引力波”相關(guān)的專業(yè)知識吧。那么，你是否想過引力波輻射是否孤單？它是否還有其他伴生信號呢，比如電磁波信號？

GW150914是雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波輻射。理論上，這樣的事件是否存在電磁輻射還有很大的爭論。事實(shí)上，在GW150914被探測到之前，科學(xué)家們一直認(rèn)為雙中子星并合事件所產(chǎn)生的引力波信號是更有可能被LIGO率先探測到的，而這樣的事件有著更高的發(fā)生概率，且會伴隨著很豐富且明亮的電磁輻射信號。因此很長時間以來，雙中子星并合事件一直吸引著科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。總體說來，這樣的事件會“生下”三個孿生兄弟：引力波、快速射電暴和伽瑪射線暴。

超鏈接：中子星

中子星是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，中心鐵核形成的由中子物質(zhì)占主導(dǎo)、中子簡并壓抵抗引力的恒星級致密天體。一顆典型的中子星質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4倍，其半徑約為10千米，是太陽半徑的七萬分之一。因此，中子星的密度非常高，在中子星上每立方厘米物質(zhì)足足有一億噸重甚至達(dá)到十億噸，相當(dāng)于原子核的密度。由于中子星保留了母恒星大部分的角動量，但半徑只是母恒星的萬分之一，轉(zhuǎn)動慣量的減少導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速迅速的增加，因此中子星通常具有非常高的自轉(zhuǎn)速率，轉(zhuǎn)動周期甚至可以低于1毫秒。同時，中子星表面具有非常強(qiáng)的磁場。在地球上，地球磁極的磁場強(qiáng)度最大也只有不到1個高斯（高斯是磁場強(qiáng)度的單位，1高斯等于1萬分之一特斯拉）。而中子星表面極區(qū)的磁場強(qiáng)度可以高達(dá)萬億高斯，甚至20萬億高斯。中子星極端而獨(dú)特的性質(zhì)為科學(xué)家們研究極高物質(zhì)密度、極強(qiáng)引力和磁場提供了非常豐富而不可多得的觀測資料。

什么是快速射電暴？

快速射電暴。圖片來源：cmu.edu

快速射電暴是指射電望遠(yuǎn)鏡探測到的來歷不明的短暫閃光，持續(xù)時間通常只有幾毫秒。目前的研究認(rèn)為，快速射電暴是來自遙遠(yuǎn)宇宙中短暫而猛烈的射電爆發(fā)，雖然持續(xù)的時間還不到一秒鐘，但它所包含的能量卻比我們的太陽一整天甚至一個月發(fā)出的能量還多。迄今只有17個快速射電暴事件獲得了確鑿的證認(rèn)，但天文學(xué)家們相信，在可觀測的宇宙中每天都會發(fā)生成千上萬這樣的爆發(fā)。除射電波段外，目前還沒有在其他電磁波段上探測到快速射電暴的伴生輻射。帕克斯天文臺的望遠(yuǎn)鏡探測到快速射電暴源光線的偏振現(xiàn)象。來自這種射電暴的信號顯示超過20%的圓偏振，暗示其附近存在磁場作用。

首先，當(dāng)雙中子星互相繞轉(zhuǎn)而做加速運(yùn)動時，時空的扭曲以波動的形式向外散開，進(jìn)而擾動外圍的時空，從而產(chǎn)生引力波輻射。特別是在雙中子星纏繞的最后階段，引力波輻射最強(qiáng)，因而形成短時標(biāo)的引力波暴現(xiàn)象。

其次，當(dāng)雙中子星繞轉(zhuǎn)距離足夠近，磁場較弱的伴星在穿越磁場較強(qiáng)的主星磁層的過程中，通過切割磁感線產(chǎn)生很高的電動勢并在瞬間將周圍的電子加速到極端相對論運(yùn)動。被加速的電子沿著主星的磁力線運(yùn)動產(chǎn)生相干曲率輻射，幾毫秒內(nèi)在射電波段釋放大量能量，產(chǎn)生快速射電暴。

最后，當(dāng)雙中子星完成并合，產(chǎn)生了新的天體（黑洞或更大質(zhì)量的中子星）。新天體會通過吸積周圍的物質(zhì)在其自轉(zhuǎn)方向上噴射出一對相對論性噴流，噴流的內(nèi)外耗散過程會產(chǎn)生多波段的電磁輻射，即伽瑪射電暴（及其余輝輻射）。

什么是伽瑪射線暴？

伽瑪射線暴（以下簡稱伽瑪暴）發(fā)現(xiàn)之初被定義為來自宇宙空間的伽瑪射線瞬間增亮現(xiàn)象。其后的觀測表明,伽瑪暴起源于銀河系外，無重復(fù)性，所釋放能量巨大（一次伽瑪暴事件釋放能量遠(yuǎn)大于太陽一生所釋放能量），且伴有多波段(自X射線、光學(xué)、紅外直到射電波段)的余輝輻射?；谄鋭×业哪芰酷尫乓约捌涓呒t移的特質(zhì)，伽瑪暴迅速成為天體物理甚至基礎(chǔ)物理領(lǐng)域青睞的天然的極端物理實(shí)驗(yàn)室。

超鏈接：相干曲率輻射

任何帶電粒子獲得加速度都會產(chǎn)生一定的電磁輻射，而具體的輻射頻率以及輻射強(qiáng)度等性質(zhì)則取決于帶電粒子本身的性質(zhì)以及其獲得加速度的具體方式。在很強(qiáng)的磁場條件下，電子被束縛在磁力線上，只能沿著磁力線運(yùn)動。如果磁力線是彎曲的，電子沿著彎曲的磁力線運(yùn)動可以獲得向心加速度并發(fā)出輻射，這種輻射被稱為曲率輻射。曲率輻射具體輻射特征由電子的速度、磁場強(qiáng)度以及磁力線曲率半徑等參數(shù)決定。當(dāng)沿磁力線運(yùn)動的電子聚集成團(tuán)束時，若各單個電子輻射場的相位之間有確定的關(guān)系，那么各電子的輻射場強(qiáng)疊加時，就有可能使總場強(qiáng)超過各電子輻射場強(qiáng)的和，這種輻射被稱為相干曲率輻射。

綜上所述，引力波信號并不是孤單的“獨(dú)生子女”。作為家里的大哥，他還有兩個好兄弟：快速射電暴與伽瑪射線暴。引力波信號的直接探測可以讓我們更加深刻地理解引力理論等基礎(chǔ)物理問題，同時引力波能夠提供一個認(rèn)識宇宙的新窗口。利用高頻引力波的觀測我們可以直接“窺探”雙中子星/黑洞系統(tǒng)的并合、黑洞的形成，探索快速旋轉(zhuǎn)的中子星甚至了解超新星爆炸的內(nèi)部物理過程等等。同時，探測產(chǎn)生于極早期宇宙的原初引力波將揭開大爆炸初期的宇宙面貌。正如觀測天文學(xué)從可見光擴(kuò)展到全波段，從而極大地拓展人類的視野那樣，引力波天文學(xué)也將在二十一世紀(jì)掀起一場認(rèn)識宇宙以及基礎(chǔ)物理的革命。

然而，鑒于引力波信號自身的缺陷，比如信號較弱，定位精度較差等，單純地利用引力波信號開展研究所能得到的成果是有限的。我們需要找到它電磁波段的兩個兄弟幫忙才行。天文學(xué)發(fā)展至今，電磁波段是發(fā)展最完善、理論研究最透徹的觀測窗口，也是現(xiàn)有探測手段與探測儀器最豐富的窗口。通過引力波與電磁信號的聯(lián)合探測，我們可以證認(rèn)引力波源的天體物理起源，并對其天體物理性質(zhì)，如引力波源的距離、宿主星系類型等開展進(jìn)一步的研究。

這種多類信號的聯(lián)合觀測將有利于打破單一信號下模型參數(shù)的簡并、減小參數(shù)空間，從而在定性和定量上揭示更多的物理過程的本質(zhì)。另外，由于引力波信號可以獨(dú)立地給出引力波源的光度距離，而其他兩兄弟的探測將使其宿主星系的紅移測量成為可能，從而得到全新的宇宙學(xué)距離-紅移關(guān)系的測量，進(jìn)而可以利用引力波源研究宇宙的幾何和動力學(xué)，特別是得到高精度的哈勃常數(shù)值。從引力波天文學(xué)的角度上講，引力波事件電磁對應(yīng)體的觀測研究意義可相比于引力波信號的直接探測。換句話說，只有真正找到三個兄弟，才是真正意義上開啟了引力波天文學(xué)的大門！

LIGO直接探測到的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號。圖片來源：APOD

綠色網(wǎng)格結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了時空中的波動——引力波。它產(chǎn)生于宇宙中加速的天體，比如互相作用的超大質(zhì)量黑洞。這種波動會影響那些射電信號從脈沖星到達(dá)地球的時間。圖片來源：David Champion

拓展閱讀：吸積、噴流與內(nèi)外耗散

天體物理領(lǐng)域的吸積指的是致密天體由引力俘獲周圍物質(zhì)的過程。一般情況下，被吸積物質(zhì)具有較大的角動量，它們會圍繞中心天體旋轉(zhuǎn)形成一個作較差旋轉(zhuǎn)的吸積盤，物質(zhì)從盤的內(nèi)邊緣處沿著螺旋軌道落向中心天體。下落過程中大量的重力勢能被釋放出來，其能量釋放效率甚至比核反應(yīng)還高。巨大的能量釋放在中心天體附近噴射出的定向、狹長、準(zhǔn)直、高速的物質(zhì)流即為噴流。吸積產(chǎn)生噴流的理論在天體物理中有著廣泛的應(yīng)用，如X射線雙星、活動星系核以及伽瑪射線暴的許多觀測現(xiàn)象都需要用吸積與噴流模型來解釋。

噴流在釋放的過程中通常具有間歇性，由此噴流內(nèi)部的物質(zhì)在徑向上密度、速度等物理量分布不均勻，這些物質(zhì)可以近似為許多速度不同的薄殼層，每次后面的速度快的殼層追上前面速度慢的殼層發(fā)生碰撞就會造成殼層動能的損失，這種損失就稱為內(nèi)耗散過程。內(nèi)耗散損失的部分動能會最終轉(zhuǎn)化成我們能夠探測到的輻射能，如伽瑪射線暴的高能輻射很有可能就是這么產(chǎn)生的。另一方面，噴流作為一個整體向外運(yùn)動的過程中，會和周圍的星際介質(zhì)（或者母恒星拋出的星風(fēng)）相互作用而損失整體的動能，這一過程被稱為外耗散過程。外耗散損失的部分動能也會轉(zhuǎn)化成輻射，然而由于外耗散過程相對較平緩，因此產(chǎn)生的輻射頻率稍低、光度也比較平緩演化，如伽瑪射線暴的多波段余輝輻射通常認(rèn)為來自外耗散過程。

本文得到國家科技部“973”項(xiàng)目“伽瑪射線暴與相關(guān)前沿物理研究”(編號: 2014CB845800)的支持。