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視頻丨全球70臺望遠鏡如何觀測中子星并合的“宇宙焰火”
在昨天大事件解密之前，我就已經拿到了 LIGO/Virgo 引力波天文臺和他們的天文觀測合作者聯合撰寫的論文，其中詳細列舉了在8月17日引力波事件發生后，全球數十臺望遠鏡是如何“瘋狂追捧”引力波源的。
本人將這一過程進行了可視化：
第二段動畫中包含了所有紫外、光學、紅外地基望遠鏡觀測記錄，不包括射電望遠鏡和空間望遠鏡的觀測記錄。氣泡最終大小跟望遠鏡口徑正相關，顏色與所使用的濾光片波段相關。
如果你還不太清楚“大事件”是什么，往下看：
第一部分 新聞懶人包
1 到底發現了啥？
簡單說，一次引力波事件。
而且是跟以前所有幾次引力波事件都不同的一次。
以前幾次，都是雙黑洞并合。并合完，還是黑的，啥也看不著。
這次是雙中子星并合，并合完，火光沖天，宇宙里的文明都看到了。
2 為啥天文學家這么興奮？
同上，因為倆中子星并合完不是黑的，能看到。
所以所有聽說了這事兒的人，只要有自己的望遠鏡，都拼了老命想要去看一下。
而且，基本上大家都看到了。
據不完全統計，全球一共有70架以上的各種天文望遠鏡參加了觀測，這些觀測覆蓋了整個電磁波段：光學、紅外、紫外、高能、射電。
本文開篇的視頻，展示了全球各地光學望遠鏡跟進觀測的情況。（可以翻回去再看一遍）
南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有頂級天文臺都興奮得像瘋了一樣。
注意南極也有一個小光點！是什么看下文 5。
3 這事對天文學有啥意義？
最大的意義是：引力波和傳統天文學終于成功的并肩作戰。
從今以后，“引力波”領域，終于毫無疑問的成為天文科學的一員。
在此之前，射電天文學的加入，讓光學和射電成為天文學的兩架馬車；空間望遠鏡的加入，讓電磁波的全波段天文時代降臨；宇宙線和中微子的加入，又讓我們看到了“多信使天文學”時代的曙光。
然后，我們看到了引力波。
如今，我們用引力波和電磁波一起看到了一場宏大宇宙煙火的前后全貌。
一個新的時代——多信使天文學全面開張的時代——來了！
4 這事對普通人有啥意義？
人類，終于知道了黃金怎么來的。
5 中國這回摻和沒？
摻和了。摻和了不少。
紫金山天文臺的南極巡天望遠鏡，參與了光學波段的后續觀測。
中科院高能物理研究所的“慧眼”X射線望遠鏡（HXMT），參與了X射線波段的后續觀測。
清華大學等單位的研究人員，通過和LIGO組織合作，參與了引力波信號分析。
但對這次來說，主要是前兩條。
第二部分 稍微細一點
1 這次的引力波長啥樣？
引力波長啥樣，聽聽就知道了。視頻的最后在雙中子星即將發生并合前，由于相互繞轉頻率不斷提高而發出的所謂“啁啾”聲。請準備好你的重低音耳機！
如果你還記得去年剛發現引力波時候的那個chirp，你會發現體驗完全不一樣——那次的只有不到1秒，而這次在音頻中出現的就有將近1分鐘——實際上，這次LIGO一共探測到了大約100秒！
2 為啥這次探測到這么長的“鳥鳴”？
一方面因為中子星并合本來就需要比較久的旋進階段，另一方面就是，因為近啊！
人們很早就懷疑短伽馬暴起源于雙中子星并合，此前的短伽馬暴通過查找宿主星系的辦法，也有一些能得到距離的，但通常都極遠，往往在幾十億光年開外，而這次，只有1.3億光年！是最近的一次短伽馬暴！
因為特別近，信號就比較強，前面比較弱的部分就能看到比較多，也就探測到了超長的旋進階段。
3 這次怎么找到引力波源位置的？
去年只有LIGO兩個站的時候，我們只能大體把引力波源定位在天空中一個大圈上，而今年隨著歐洲Virgo引力波探測器的加入，引力波源定位的精確度大大提高！
如下圖所示，本次引力波事件，GW170817，被定位在了大約31平方度的非常小的天區內！（下圖黃色區域）
引力波探測器給出的定位結果（綠色），和費米衛星給出的定位（藍色），非常吻合：
下圖是后來發現了引力波源的星系 NGC 4993 周圍 3 平方度的天區，藍色橢圓標記出了這里面所有已知的星系。可以發現 NGC 4993 剛好位于一個星系團旁邊，里面星系多得很。而 31 個平方度里，星系自然就更多。
雖然有好幾十臺望遠鏡參加觀測，能在一天之內就找到，也太快了吧！
——實際上，事情沒有那么復雜。
LIGO & Virgo 在收到引力波信號后，會根據信號強度估計一個距離。這一次他們給出的是40±0.8 Mpc（Mpc=百萬秒差距=326萬光年）。我用這個距離范圍在 NGC 4993 周圍 ~300 個平方度里搜，記錄在冊的星系一共也就21個。考慮到事情發生的時候出于慎重可能會把距離范圍放寬點，但在31度天區中真正需要查證的，也還是只有幾十個星系而已。
比找MH370容易多了。
4 這次看到的引力波源——“光學對應體”，長啥樣？
下圖是歐洲南方天文臺幾架不同的望遠鏡捕捉到的畫面。雖然畫質高下有別，在星系中心左上邊一點，都看到了同一個小亮點——也就是雙中子星并合之后持續發光的，被稱作“千新星”的現象。（左上角是2014年拍的對比圖，這張上沒有這次的小亮點。）
變的越來越紅！
5 雙中子星并合具體什么樣？
前面已經放過并合的一個藝術家想象動畫，下面再放個科學一點的模擬。
它展示了雙中子星并合最后幾十毫秒發生了什么。
千新星事件雖然不是第一次被看到，但結合了引力波和電磁波全波段觀測數據的這次事件，讓我們可以更透徹的研究“千新星”事件到底是怎么回事。
6 所以黃金到底怎么來的？
上一段說了，中子灑出來之后，會產生很多所謂富中子的不穩定同位素，也就是說很多原子核中包含大量中子的元素，這些中子會迅速衰變成質子，產生大量原子序數（即原子核中的質子數）較高的重元素，其中就包括金。
先前人們曾經認為重元素主要由超新星爆發產生，但后來發現超新星爆發不是一個足夠有效的機制，于是雙中子星并合被寄予厚望。
7 中子星？夸克星？
我們一直說“雙中子星并合”，但實際上對于中子星是不是“中子”星，在天文學界是有爭議的——一部分理論學家認為，這些致密天體可能是由更基本的粒子夸克組成的，應該被叫做“夸克星”。
檢驗這種致密星到底是由“中子”還是“夸克”構成，最直接的辦法應該是去測量星體的質量和半徑。因為夸克星原則上會更致密。但是這些致密星太小，用我們現有的觀測手段很難給出精確的測定。
另一種思路，就是利用雙星并合時的現象——前面說了，“千新星”這種現象只有在富中子的環境才能發生。而大量的中子來自于中子星，所以如果我們在雙致密星并合后能看到“千新星”現象，說明這些致密星的本質應該是中子星，而如果看不到，則更有理由傾向于夸克星的假說。
就這次的觀測證據來說，“中子”星一派占據了上風。
8 這次事件還告訴我們什么
還告訴宇宙膨脹有多快。也就是測定了哈勃常數。
一方面，引力波觀測可以通過接收到引力波的強度，算出源天體的光度距離；另外通過源天體所在的星系紅移的測量，我們知道它的退行速度。結合起來，就算出了宇宙膨脹有多快。
當然這一次事件給出的測量精度還沒有比我們此前已經獲得的結果更好，不過隨著未來類似觀測的積累，引力波與電磁波的聯合觀測還是可以給出越來越精確的，對宇宙膨脹速度的獨立估計。
9 仍然未解的迷
我們不知道并合后形成的是中子星還是黑洞。
我們認為中子星的質量有個上限，叫做奧本海默極限。超過了這個極限，中子星就會坍縮成黑洞——但在理論上，這個極限究竟是多少，還有爭議。爭議的原因就是上面7中所說的，理論學家對中子星的具體構成有不同的見解。而我們通過引力波的觀測知道了系統總質量為2.74個太陽質量，剛好在“爭議區”，于是無法判斷這是不是足以形成黑洞。
10 小望遠鏡的威力
在這次全球觀測天文學家的大聯歡中，小望遠鏡發揮了功不可沒的重要作用。
率先在星系 NGC 4993 中找到引力波光學對應體的，是歐南臺的 Swope 望遠鏡，口徑1.02米。
要知道在專業天文學界，1米口徑是相當小的光學望遠鏡了。
而更讓人驚訝的是，這次還有很多臺40~60厘米的超輕量級望遠鏡加入戰斗——這對天文愛好者來說可能還算是鎮宅之寶，對專業天文學來說，有點玩具的意思了。
甚至，盛會中還有一個口徑25厘米的 TAROT 望遠鏡。（下圖右下）
系外行星搜尋、超新星搜尋、微引力透鏡搜尋……還有很多有趣的科學領域，是小望遠鏡能夠一展身手的地方。
11 歐南臺的“艦隊”
在看文首視頻的時候，有沒有被智利北部密集的光點嚇到？
歐南臺在新聞中用“艦隊”來形容自己的望遠鏡們——這支艦隊，不只有8米、10米級的“航空母艦”，更有一大堆4-6米級的“巡洋艦”、2-3米級的“護衛艦”、1米級以下的“保障船只”，乃至其他波段的“協同軍種”，共同構成了令人望而生畏的歐南臺艦隊。
下圖展示了歐南臺參與本次聯合觀測的部分“大船”。紫外、可見光、紅外、射電，都有。
幸好這次還有南極巡天望遠鏡和慧眼衛星給中國撐場子，不然真的是毫無臉面了。
希望中國天文的盛世，早點來吧！
（作者劉博洋是中國科學院國家天文臺、西澳大學國際射電天文研究中心在讀博士，微信公眾號“天文八卦學”（Astrobaguaology）作者。澎湃新聞特約撰稿，如需轉載，務必注明來源和作者。）
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