人类首次“眼”“耳”并用观测宇宙

两个中子星合并的效果图。新华社发

光谱信号变化证实，中子星合并是宇宙中金、铂等超铁元素的主要起源。新华社发

我国在昆仑站安装的南极巡天望远镜AST3-2。(中科院紫金山天文台供图)

■本报首席记者 许琦敏

本月初刚被授予今年诺贝尔物理学奖的科研领域引力波，又爆出大新闻!

北京时间昨天20时起，美国LIGO(激光干涉引力波天文台)组织、中国科学院紫金山天文台、欧洲南方天文台等全球几十家天文机构几乎同时召开新闻发布会，宣布重大发现———双中子星合并。这次，人类不仅探测到了引力波，还在红外、可见光、射电等多个电磁波段获得了丰富的信息。英国　《自然》和《自然—天文学》在线发表了七篇论文，报告这一天文现象带来的各种新发现。

如果说，过去百年的现代天文学发展历程，人类主要通过电磁波在“看”宇宙，而2015年人类探测到引力波，是第一次“听”到了宇宙的声音，那么这次就是人类首次同时“眼”“耳”并用，观测一个天文现象，并且在天文学上第一次看到一个天文现象同时发出“引力波”和“电磁波”，还清楚知道天体“源”。

这次，中国科学院紫金山天文台通过建在南极冰穹A的巡天望远镜，获得了红色可见光和近红外的数据信息，为这次在线发表的七篇论文中的两篇作出了贡献。

期盼中的双中子星合并现身

自2015年9月14日起，人类共探测到四次引力波事件，都是黑洞与黑洞合并的天文事件。“通常认为黑洞的合并是不发光的。”中科院紫金山天文台研究员韦大明介绍，黑洞周围的物质很少，而电磁波的产生需要物质，所以黑洞合并一般不会产生电磁波，从人类观测角度来看，也就是“不发光”。这意味着，黑洞与黑洞合并，除了引力波，天文学家没有其他手段可以获得更多信息。

所以，自打发现引力波，科学家就一直期盼着两颗中子星合并的事件出现。因为双中子星合并时，会向外抛射大量物质，从最初的伽玛暴，到接下来绵延约十天的余辉辐射，它辐射出的电磁波，几乎可覆盖所有波段。而地球上，近百年来，人类已造了众多采集电磁波信号的望远镜，可收集到丰富的信息。

果然，就在LIGO和意大利的引力波观测仪Virgo即将结束观测季的前夕，它们又发现一起引力波事件，而且“有光学对应体”，并给出了大致方位———NGC4993星系，这是一个位于水蛇座的星系，距地球约1.3亿光年。

这是否就是期盼已久的双中子星合并？8月17日，美国费米望远镜的伽玛暴监测器在这个方位发现了一个短时标的伽玛暴事件，并给出了较精确定位。这将全世界的大望远镜都引向了这个天区———根据理论模型，发生时间短于2秒的伽玛暴，起源于双中子星或中子星与黑洞的合并。超过2秒的伽玛暴则是大质量恒星的“葬礼烟花”。

接下来十几天，美国钱德拉X射线望远镜、哈勃空间望远镜，欧洲南方天文台甚大望远镜，位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列，以及中国建在南极的南极巡天望远镜，都纷纷进行观测。于是，才有了全球几十家天文机构竞相宣布各自观测结果的盛况。

多信使天文学时代即将到来

双中子星合并，为何会让天文学家如此热血沸腾？　韦大明说，因为它的科学意义实在太重大了。

首先，短时标伽玛暴起源于双中子星合并，一直只存在于理论预测中，从未成功观测到过。所以，这次其实进行了一次验证，与理论预测相当符合。“理论还预测了中子星与黑洞的合并，但目前还没有发现。”韦大明说，这次事件与理论的符合，给了天文学家更多信心。

第二，这也是对宇宙中超重元素来源的一次很好探索。“因为在这次合并事件后，我们看到了千新星的出现。”韦大明解释，在宇宙中，氢、氦等轻元素产生于宇宙大爆炸，但在恒星中，通过核聚变反应，最多只能得到铁元素。原子量更大的超重元素，比如金、银等，究竟如何产生？这是目前科学界的一个重大疑问。天文学家曾从理论上推测双中子星合并可能是产生超重元素的重要场所。

1998年，美国普林斯顿大学的李立新(现为北京大学教授)与玻丹·帕琴斯基教授提出了双中子星合并能产生千新星的理论模型———两颗中子星合并，会抛出大量富含中子的物质，它们能通过快中子俘获过程形成超重元素。“由于这些元素不稳定，会不断衰变而加热抛射物，使其产生可见光、红外波段的电磁辐射。”他说，这次观测到的千新星，行为特点与理论预测相当合拍，“解决这个科学问题，有了一线曙光。”

不过，更让天文学家兴奋的是，这意味着人类向多信使天文学时代又迈进一步。引力波打开了人类观测宇宙的新通道，而近几十年来，人类认识宇宙的线索越来越多，同一天文事件可从不同角度获得研究信息。“仿佛盲人摸象，我们摸到的部位越来越多。”韦大明说，相信人类对宇宙的了解会越来越深入。

南极巡天望远镜建立功勋

由于这次合并事件发生在南天区，所以北半球的很多望远镜都无功而返，包括上海的天马望远镜。这次中国天文机构唯一获得的数据来自中国南极昆仑站天文台的南极巡天望远镜。

这座于2009年建成的天文台，位于南极内陆最高点冰穹A，海拔4093米。这里是天空视角最大的地点，全年有连续135天的全黑夜，也是目前地球上能够连续观测时间最长的站点。“这真是一次难得的机会，差点就观测不到。”中科院紫金山天文台一位参与南极观测的专家透露，因为事件发生在8月中旬，已临近南极极夜的尾声。

而且，这次合并事件所处的天区，其实已经超出了南极巡天望远镜的观测范围，科学家修改了一些软件设置，才使观测得以成功。目前所获得的数据与国际同行得到的结果一致。

这次，中国科学家身影再次出现在这一重大前沿科学发现中，也是我国长期对基础科研投入的价值的一次体现。