“宇宙烟花”背后的中国故事

屈一平

时空涟漪伴生的宇宙“烟花”，震动整个天文界！

来自宇宙深处时空涟漪伴随的“烟花”——中国科学院紫金山天文台吴雪峰研究员，在第一眼看到中国南极巡天望远镜观测数据中找到的第一例双中子星并合的光学信号时，这样形容。

“现在想想都觉得很神奇很幸运很不可思议。也许这就是在漫长黑夜里坚持等待的意义……”10月23日，吴雪峰接受《人民周刊》记者专访，这样描述自己当时的心情。“整个过程心都是悬着的。”

10月16日，一个世界天文学界里程碑式的时间来到，美国国家科学基金会、欧洲南方天文台、中国中科院紫金山天文台等多国科学机构同步召开新闻发布会，宣布第一次同时“听到”和“看到”来自双中子星并合的一次引力波事件。

这是人类第一次直接探测到来自双中子星并合的引力波，并同时探测到这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。中科院紫金山天文台在中国南极昆仑站运行的南极巡天望远镜AST3-2在这次引力波事件发生后的1天左右观测到“宇宙烟花”绽放的绚烂时刻。

吴雪峰在两个月后，依然清晰记得，当时中科院南极天文中心主任、南极巡天望远镜首席科学家王力帆研究员把观测目标的坐标方位告诉大家，来判断南极巡天望远镜是否可以安排观测时，“我们当时的第一反应就是，悬！超过限位了！由于有一个范围内浮动的校正误差，所以并不能百分百肯定我们的望远镜可以安全指向和观测。我们先小心翼翼解除初级限位保护，再一点点放低望远镜接近目标，打开跟踪，整个过程心都悬起来了，万一出现恶劣天气望远镜卡住，麻烦就大了。但是，在几个重要位置测试过以后，太棒了，没有问题，可以观测！”

目前LIGO激光干涉引力波天文台探测到的引力波是由黑洞、中子星等致密星碰撞、并合产生的一种时空涟漪，宛如石头丢进水里产生的波纹。百年前，爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，但直到2015年人类才首次直接探测到引力波，3名美国科学家因此获得今年的诺贝尔物理学奖。

每个人都悬着一颗心

2017年10月16日晚22时（北京时间，下同），注定要记入中国天文学历史的时刻，此时，在中国江苏省南京市鼓楼区的中科院紫金山天文台四楼会议室，所有人都拭目以待，一场与全球多国科学家同步期待的重大时刻即将来临。

时间回溯到两个月前的8月17日晚，在地球最南端的南极，极夜即将结束，太阳偶尔升起。在1.3亿光年外的长蛇座NGC 4993星系，第一例双中子星并合的引力波信号刚刚到达地球被探测到，这对全世界的天文学家来说，是一场盛宴，然而，能不能摸到这头传说中的森林之“象”的全身，还是一个未知数。

一天之后的18日晚，获悉了观测目标的准确位置进入南极巡天望远镜AST3-2的观测视场后，吴雪峰和南极天文中心的其他成员正时刻关注着这台望远镜。此次引力波事件发生的天区，在中国南极巡天望远镜监测的最北边界，基本靠近地平线，接近望远镜能够探测的极限，能不能捕捉到，中国南极天文合作团队的每个成员都悬着一颗心。

外界不知道的是，此次探测是冒着很大风险进行的一次尝试：第一，此次观测要打乱中国南极望远镜既定的巡天观测计划；其次，是天文望远镜架设于南极大陆最高点，而引力波事件GW170817在其观测的边缘区，这意味着需要把望远镜指向距离地面只有二十几度的方向，这已经是AST3-2的极限。望远镜一旦卡住不动，就会在即将到来的南极夏天被阳光直射造成损害，望远镜面临报废的风险，而再次修理的时间最早也要等到2018年，由南极科考队员去才能修复。吴雪峰说道：“我们当时冒了很大的风险。”

“盲人摸象”中看到了“大象的脸”

“什么是引力波？”紫金山天文台研究员吴雪峰介绍说：“引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水面产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中产生目前可以被探测到的引力波。”

据了解，100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获观测证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

引力波发现的重要和深远的意义，还在于它开启了人类探索宇宙和天体的起源、结构和演化的一个新窗口。对于天文学家来说，研究宇宙和天体的信息载体从电磁波延伸到了引力波，它们与中微子、宇宙线的探测相结合，正式开启了多信使天文学的时代。

吴雪峰将此次引力波电磁对应体的观测，形象地比喻为“触摸到未知森林大象之脸”。

中子星双星并合事件，自30多年前开始，在全世界天文学者心中一直是传说中的“大象”，之前从没有人证实过它的真实存在。这次LIGO激光干涉引力波天文台探测到来自GW 170817引力波事件的“时空涟漪”，就相当于捕捉到这头“大象”发出的“怒吼”，给出它在宇宙森林中的大致方位。

“这次最關键的是，包括我们的南极巡天望远镜在内的全世界多台望远镜探测到了这次双中子星并合后产生的光学、紫外和红外辐射，这些辐射比普通新星亮约1000倍，被称为巨新星或千新星，提供了了解双中子星并合最丰富且重要的数据。因此，这些光学观测相当于是直接看到了‘大象的脸”。

中国，不曾缺席

在南极内陆，目前只有中国在冰穹A地区和欧洲在冰穹C地区安装了光学望远镜。迄今，由中国国家天文台南极组自主研发的南极巡天望远镜运控系统已成功运行几年，实现了真正无人值守条件下带有指向跟踪的望远镜全自动运行。

国家天文台南极团组负责人商朝晖说，AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜，是南极现有最大的光学望远镜，并且实现了极端环境下无人值守全自动监测。

“中国南极昆仑站所在的冰穹A天文观测条件非常好，几乎和太空差不多。”吴雪峰介绍，中国在南极架设望远镜，除了科考安装条件比较艰苦以外，观测条件媲美太空。

今年早些时候，中国宣布将在南极冰穹A地区再安装两台望远镜，一是2.5米昆仑暗宇宙巡天望远镜，二是5米冰穹A太赫兹探测器，旨在打开地球上独一无二的天文观测新窗口。

吴雪峰认为，下一代的南极昆仑暗宇宙巡天望远镜安装观测后，该望远镜在南极的观测能力，等效于地面其他常规台址上20米级的同类望远镜。这两台望远镜建成后，我国将拥有世界上强大的远程控制天文台。

这是世界天文学界一场盛宴，也是中国天文学在2017年最大的收获之一。