引力波“三兄弟”

□ 北京师范大学 高 鹤、紫金山天文台 吴雪峰、南京大学 戴子高

引力波“三兄弟”

□ 北京师范大学 高 鹤、紫金山天文台 吴雪峰、南京大学 戴子高

由双中子星产生的引力波艺术示意图。图片来源：Credits: R. Hurt/Caltech-J PL

图中是一种由双中子星形成伽玛射线暴的示意模型，这样两个互相绕转的中子星最后会并合成一个黑洞，在此过程中会产生吸积盘和喷流结构。图片来源：heasarc.gsfc.nasa.gov

2015年9月14日，激光干涉引力波观测台（LIGO）有史以来第一次直接探测到了引力波事件：GW150914。这一激动人心的成果一经报道，“引力波”三个字迅速成了家喻户晓的名词与茶余饭后的谈资。作为这一伟大事件的见证者，我们每一个人都是幸运的。然而由于背景不同，每个人对这一事件评价的角度也是不同的。对于天文学家，它意味着一个崭新的天文观测窗口被正式开启，人类正式进入到了引力波天文学时代；对于普通民众，人们感慨着如此微弱的涟漪在浩瀚的宇宙中传播了十几亿年竟然能被人类所捕获。作为天文爱好者，在感慨的同时，一定希望能够更加深入地了解一些“引力波”相关的专业知识吧。那么，你是否想过引力波辐射是否孤单？它是否还有其他伴生信号呢，比如电磁波信号？

GW150914是双黑洞并合产生的引力波辐射。理论上，这样的事件是否存在电磁辐射还有很大的争论。事实上，在GW150914被探测到之前，科学家们一直认为双中子星并合事件所产生的引力波信号是更有可能被LIGO率先探测到的，而这样的事件有着更高的发生概率，且会伴随着很丰富且明亮的电磁辐射信号。因此很长时间以来，双中子星并合事件一直吸引着科学家们的广泛关注。总体说来，这样的事件会“生下”三个孪生兄弟：引力波、快速射电暴和伽玛射线暴。

超链接：中子星

中子星是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，中心铁核形成的由中子物质占主导、中子简并压抵抗引力的恒星级致密天体。一颗典型的中子星质量是太阳质量的1.4倍，其半径约为10千米，是太阳半径的七万分之一。因此，中子星的密度非常高，在中子星上每立方厘米物质足足有一亿吨重甚至达到十亿吨，相当于原子核的密度。由于中子星保留了母恒星大部分的角动量，但半径只是母恒星的万分之一，转动惯量的减少导致了转速迅速的增加，因此中子星通常具有非常高的自转速率，转动周期甚至可以低于1毫秒。同时，中子星表面具有非常强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大也只有不到1个高斯（高斯是磁场强度的单位，1高斯等于1万分之一特斯拉）。而中子星表面极区的磁场强度可以高达万亿高斯，甚至20万亿高斯。中子星极端而独特的性质为科学家们研究极高物质密度、极强引力和磁场提供了非常丰富而不可多得的观测资料。

什么是快速射电暴？

快速射电暴。图片来源：cmu.edu

快速射电暴是指射电望远镜探测到的来历不明的短暂闪光，持续时间通常只有几毫秒。目前的研究认为，快速射电暴是来自遥远宇宙中短暂而猛烈的射电爆发，虽然持续的时间还不到一秒钟，但它所包含的能量却比我们的太阳一整天甚至一个月发出的能量还多。迄今只有17个快速射电暴事件获得了确凿的证认，但天文学家们相信，在可观测的宇宙中每天都会发生成千上万这样的爆发。除射电波段外，目前还没有在其他电磁波段上探测到快速射电暴的伴生辐射。帕克斯天文台的望远镜探测到快速射电暴源光线的偏振现象。来自这种射电暴的信号显示超过20%的圆偏振，暗示其附近存在磁场作用。

首先，当双中子星互相绕转而做加速运动时，时空的扭曲以波动的形式向外散开，进而扰动外围的时空，从而产生引力波辐射。特别是在双中子星缠绕的最后阶段，引力波辐射最强，因而形成短时标的引力波暴现象。

其次，当双中子星绕转距离足够近，磁场较弱的伴星在穿越磁场较强的主星磁层的过程中，通过切割磁感线产生很高的电动势并在瞬间将周围的电子加速到极端相对论运动。被加速的电子沿着主星的磁力线运动产生相干曲率辐射，几毫秒内在射电波段释放大量能量，产生快速射电暴。

最后，当双中子星完成并合，产生了新的天体（黑洞或更大质量的中子星）。新天体会通过吸积周围的物质在其自转方向上喷射出一对相对论性喷流，喷流的内外耗散过程会产生多波段的电磁辐射，即伽玛射电暴（及其余辉辐射）。

什么是伽玛射线暴？

伽玛射线暴（以下简称伽玛暴）发现之初被定义为来自宇宙空间的伽玛射线瞬间增亮现象。其后的观测表明,伽玛暴起源于银河系外，无重复性，所释放能量巨大（一次伽玛暴事件释放能量远大于太阳一生所释放能量），且伴有多波段(自X射线、光学、红外直到射电波段)的余辉辐射。基于其剧烈的能量释放以及其高红移的特质，伽玛暴迅速成为天体物理甚至基础物理领域青睐的天然的极端物理实验室。

超链接：相干曲率辐射

任何带电粒子获得加速度都会产生一定的电磁辐射，而具体的辐射频率以及辐射强度等性质则取决于带电粒子本身的性质以及其获得加速度的具体方式。在很强的磁场条件下，电子被束缚在磁力线上，只能沿着磁力线运动。如果磁力线是弯曲的，电子沿着弯曲的磁力线运动可以获得向心加速度并发出辐射，这种辐射被称为曲率辐射。曲率辐射具体辐射特征由电子的速度、磁场强度以及磁力线曲率半径等参数决定。当沿磁力线运动的电子聚集成团束时，若各单个电子辐射场的相位之间有确定的关系，那么各电子的辐射场强叠加时，就有可能使总场强超过各电子辐射场强的和，这种辐射被称为相干曲率辐射。

综上所述，引力波信号并不是孤单的“独生子女”。作为家里的大哥，他还有两个好兄弟：快速射电暴与伽玛射线暴。引力波信号的直接探测可以让我们更加深刻地理解引力理论等基础物理问题，同时引力波能够提供一个认识宇宙的新窗口。利用高频引力波的观测我们可以直接“窥探”双中子星/黑洞系统的并合、黑洞的形成，探索快速旋转的中子星甚至了解超新星爆炸的内部物理过程等等。同时，探测产生于极早期宇宙的原初引力波将揭开大爆炸初期的宇宙面貌。正如观测天文学从可见光扩展到全波段，从而极大地拓展人类的视野那样，引力波天文学也将在二十一世纪掀起一场认识宇宙以及基础物理的革命。

然而，鉴于引力波信号自身的缺陷，比如信号较弱，定位精度较差等，单纯地利用引力波信号开展研究所能得到的成果是有限的。我们需要找到它电磁波段的两个兄弟帮忙才行。天文学发展至今，电磁波段是发展最完善、理论研究最透彻的观测窗口，也是现有探测手段与探测仪器最丰富的窗口。通过引力波与电磁信号的联合探测，我们可以证认引力波源的天体物理起源，并对其天体物理性质，如引力波源的距离、宿主星系类型等开展进一步的研究。

这种多类信号的联合观测将有利于打破单一信号下模型参数的简并、减小参数空间，从而在定性和定量上揭示更多的物理过程的本质。另外，由于引力波信号可以独立地给出引力波源的光度距离，而其他两兄弟的探测将使其宿主星系的红移测量成为可能，从而得到全新的宇宙学距离-红移关系的测量，进而可以利用引力波源研究宇宙的几何和动力学，特别是得到高精度的哈勃常数值。从引力波天文学的角度上讲，引力波事件电磁对应体的观测研究意义可相比于引力波信号的直接探测。换句话说，只有真正找到三个兄弟，才是真正意义上开启了引力波天文学的大门！

LIGO直接探测到的双黑洞并合产生的引力波信号。图片来源：APOD

绿色网格结构展现了时空中的波动——引力波。它产生于宇宙中加速的天体，比如互相作用的超大质量黑洞。这种波动会影响那些射电信号从脉冲星到达地球的时间。图片来源：David Champion

拓展阅读：吸积、喷流与内外耗散

天体物理领域的吸积指的是致密天体由引力俘获周围物质的过程。一般情况下，被吸积物质具有较大的角动量，它们会围绕中心天体旋转形成一个作较差旋转的吸积盘，物质从盘的内边缘处沿着螺旋轨道落向中心天体。下落过程中大量的重力势能被释放出来，其能量释放效率甚至比核反应还高。巨大的能量释放在中心天体附近喷射出的定向、狭长、准直、高速的物质流即为喷流。吸积产生喷流的理论在天体物理中有着广泛的应用，如X射线双星、活动星系核以及伽玛射线暴的许多观测现象都需要用吸积与喷流模型来解释。

喷流在释放的过程中通常具有间歇性，由此喷流内部的物质在径向上密度、速度等物理量分布不均匀，这些物质可以近似为许多速度不同的薄壳层，每次后面的速度快的壳层追上前面速度慢的壳层发生碰撞就会造成壳层动能的损失，这种损失就称为内耗散过程。内耗散损失的部分动能会最终转化成我们能够探测到的辐射能，如伽玛射线暴的高能辐射很有可能就是这么产生的。另一方面，喷流作为一个整体向外运动的过程中，会和周围的星际介质（或者母恒星抛出的星风）相互作用而损失整体的动能，这一过程被称为外耗散过程。外耗散损失的部分动能也会转化成辐射，然而由于外耗散过程相对较平缓，因此产生的辐射频率稍低、光度也比较平缓演化，如伽玛射线暴的多波段余辉辐射通常认为来自外耗散过程。

本文得到国家科技部“973”项目“伽玛射线暴与相关前沿物理研究”(编号: 2014CB845800)的支持。