2017年8月17日，全世界的科学家目睹了前所未见的现象：1.3亿光年远的两颗中子星在壮观的爆炸中并合。从伽马射线探测器到射电望远镜，全世界的众多天文台都观测到了这一事件。这次爆炸证明了好几个关键的天体物理学模型，揭示了很多重元素的诞生机制，使广义相对论得到了前所未有的检验。首次观测到双中子星并合及其揭示的重大科学意义，折桂《科学》杂志2017年度重大科学突破。

尤其引人注目的是观测到该事件的方式：通过探测相互旋近的中子星在并合前辐射的引力波——空间本身极其微小的涟漪。27个月前，当激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到两个大质量的黑洞在不可见的天翻地覆中并合所发出的宇宙震颤时，科学家首次探测到引力波，这一发现问鼎《科学》杂志2016年度重大科学突破。

如果说上次的研究吹响了引力波探测的号角，那么这次则是演奏出了科学研究的交响乐，两者的差别在于“物质”。黑洞是当巨大的恒星坍缩成一个点后留下的幽灵一般的引力场，没有物质可以加热和辐射。相比之下，中子星几乎纯粹由最致密的中子组成的球体。黑洞碰撞除了引力能不会发射出任何东西，但是中子星碰撞则上演了一场灯光秀，全世界有70多个天文台都对此展开了研究。美国佐治亚理工学院物理学家、LIGO团队副发言人劳拉•卡多纳蒂（Laura Cadonati）表示：“我们从双中子星并合事件中获得的信息量，多得令我目眩神迷。”

不仅LIGO位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个干涉仪探测到了相互旋近的中子星所发出的引力波，而且位于意大利比萨附近的法国和意大利合建的“处女座”（Virgo）引力波探测器也探测到了，凑巧的是Virgo经过5年的升级改造后，于17天前刚刚开始记录数据。研究人员立马知道他们正在见证两颗相互旋近的中子星的死亡。不像黑洞并合产生的引力波是持续时间只有几秒钟的低频率的脉冲，质量更轻的双中子星并合产生的引力波频率更高，导致指示器都发出嗡嗡声，持续时间也更长，超过100秒。

这个渐强音提示了后续盛大的“焰火表演”。两秒钟后，美国国家航空航天局正在太空绕轨道飞行的费米伽马射线太空望远镜就探测到了被称为“短伽马射线暴”的伽马射线脉冲。随后，其他望远镜也发现了目标。由于空间上相隔遥远的三个引力波探测器都探测到双中子星并合发出的引力波，研究人员利用三角测量法就能确定引力波源——双中子星在天空中的具体位置。11个小时内，好几个光学和红外天文学家团队就在NGC 4993星系边缘发现了一种新信标。几天后，引力波源从明亮的蓝色褪变成了暗淡的红色。11天后，引力波源开始发出X射线和无线电波。此次爆炸很可能是天文学历史上被研究得最多的事件，全世界953个研究机构3 674名研究人员合作撰写了一篇论文，总结了此次双中子星并合及后续事件的研究。

这次探测也验证了25年前的一个假说：中子星并合会产生短伽马射线暴。淡红色的余晖则符合千新星的理论模型——富含中子的物质通过与中子星碰撞抛射到太空，产生一连串称为“r过程”的核相互作用。科学家认为比铁重的元素中的一半在此过程中产生，最重的那些元素会吞噬蓝光，为发光的放射性星云染上红色的光晕。千新星理论模型的创建者、美国加州大学伯克利分校的丹尼尔•卡森（Daniel Kasen）说：“这个模型基本上只是理论模型。当看到理论变成了活生生的现实，真是超级激动人心的事情。”这次观测甚至还通过证明引力波与光传播速度相同（并非像一些其他理论所预测的引力波传播速度慢于光速），从而支持了爱因斯坦的广义相对论。

不过，此次中子星并合事件也有令人困惑之处，天体物理学家希望获取更多数据加以解释。比如，美国西北大学天体物理学家、LIGO团队成员维基•卡洛耶拉（Vicky Kalogera）认为，中子星并合产生的短伽马射线暴微弱得令人惊讶。科学家认为短伽马射线暴源自于物质的窄射流以接近光速的速度从并合的中子星中喷射出来，就像探照光束一样。最简单的解释是射流可能并没有正对着地球。不过，也可能是天体物理学家的理论模型并不正确，中子星并合只产生静默的伽马射线暴，卡洛耶拉说。要解决这个问题，天体物理学家需要观测更多的中子星并合事件。他们还想看到正好在双中子星并合的那个瞬间发出的引力波。在此次对双中子星并合的首次观测中，LIGO和Virgo探测器观测到两颗中子星围绕着对方加速旋转，发出频率越来越高的引力波。但是，在大约每秒500转的转速时，引力波的频率攀升到超出LIGO探测器的灵敏度范围，探测器没能观测到导致双中子星并合的最后的旋转。

“最后的旋转”相关信息有助于研究中子星的本质，这种纯由核物质组成的天体质量比太阳稍大，但是直径只有20～30千米。天体物理学家想知道构成中子星的物质有多么坚硬或黏糊——这是所谓的状态方程中蕴含的一种属性。理论上而言，引力波可以揭示这个信息：构成中子星的物质越坚硬，中子星体积将越大，随着它们旋近到一起将会更早爆炸。纽约州立大学的核天体物理学家詹姆斯•拉蒂默（James Lattimer）指出：“如果我们想确定状态方程，我们需要观测到整个并合过程。”研究人员计划通过操纵在巨型探测器中来回反射的激光等途径，提升LIGO探测器对更高频率引力波的灵敏度，不过实现这一计划还需要几年时间。

科学家还希望看到新型的并合事件，比如中子星和黑洞的并合，这种并合从理论上来说很罕见。在我们的银河系里，单个恒星发生的超新星爆炸应该也会产生可探测的引力波，可以帮助天体物理学家精确计算出恒星是如何爆炸的。称为“脉冲星”（pulsar）的自旋中子星可能会传送引力波的稳定颤音。在接下来几十年里，科学家希望发射一个太空引力波探测器，能够探测到更低频率的引力波，比如，在星系中心的超大质量的黑洞并合所发出的引力波。

“最激动人心的将是天体物理学家从未预测过的引力波信号，”斯坦福大学的理论学家罗杰•布兰德福德（Roger Blandford）认为，“我期待看到超出预期的引力波信号。”

参考文献：

http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1520