GW170817

GW170817是LIGO和VIRGO在2017年8月17日觀測到的引力波事件，其出自於兩個中子星併合在一起。在此之前觀測到的幾次引力波事件都是出自於兩個黑洞併合。。這次中子星併合事件的後續電磁現象也被很多種不同波段的望遠鏡觀測到，這標誌著多信使天文學的新紀元已經來臨。

基本介紹

• 中文名：GW170817
• 外文名：GW170817
• 領域：天文學
• 類型：瞬變天文事件
• 光學對應源：AT 2017gfo，GRB 170817A
• 宿主星系：NGC 4993
• 發現時間：2017年10月16日

觀測

1. 引力波信號持續長達100秒，顯示出兩個中子星併合所展現出的強度與頻率。通過三角測量與數據分析，從引力波抵達LIGO漢福德、LIGO利文斯頓與VIRGO這三個探測器位置在時間方面的延遲，可以準確地給出波源的大致角度方向。
   

2.費米伽瑪射線空間望遠鏡（Fermi）與國際伽瑪射線天體物理實驗室（INTEGRAL）也偵測到短暫的伽馬射線暴“GRB 170817A”，其發生在併合事件後的1.7秒時刻。這些探測器對於定位的靈敏度很有限，然而，它們給出的空間方向範圍與引力波探測器給出的方向範圍相互重疊，兩個事件之間相隔短暫的1.7秒。

3.約11小時之後，位於拉斯坎帕納斯天文台的斯伍普望遠鏡，在先前LIGO和VIRGO給出的引力波源區域，發現光學瞬變天文事件“AT 2017gfo”，其位於長蛇座的星系NGC 4993。在後來的幾天與幾周，又有多個望遠鏡分別利用射線、紅外線、光學、X射線波段追蹤這併合事件的餘輝，並且顯示出中子星併合的拋射物質所應具有的特性。

兩個中子星併合的藝術繪圖

偵獲信息

引力波

此次引力波信號持續約100秒，頻率從24赫茲開始，增加至幾百赫茲，呈通常的旋近啁啾模式，最終以相互碰撞並且併合在一起來結束旋近過程。這個信號首先到達位於義大利的VIRGO探測器，過了22毫秒後到達位於美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO探測器，又過了3毫秒後到達LIGO漢福德探測器。

引力波源的幾個可靠區域的正投影區域

在併合事件發生的6分鐘之後，對於LIGO漢福德的數據進行的電腦探索分析引發了“觸發”機制，這一信息通知給其他天文學研究團隊。節由於在併合事件的約16秒之後，費米伽瑪射線空間望遠鏡的伽馬射線爆監視系統（Gamma-ray Burst Monitor，Fermi-GBM）就已探測到伽馬射線暴，並且Fermi也發布了通知，宣布探測到伽馬射線暴，約在併合事件的40分鐘之後，LIGO/Virgo團隊發布了報告，宣布非常可能發現了伴隨著伽馬射線暴的中子星併合事件，給出大致的引力波源位置

伽馬射線

費米伽瑪射線空間望遠鏡（Fermi）最先偵測到伽馬射線暴“GRB 170817A”，其發生在併合事件之後的 1.7 秒時刻，並且持續了2秒。GRB 170817A被分類為短暫伽馬射線暴。在伽馬射線暴被偵測到的14秒後，費米伽瑪射線空間望遠鏡的觸發系統自動發布了通知，宣布探測到伽馬射線暴，提醒其他研究團隊注意。之後，國際伽瑪射線天體物理實驗室（INTEGRAL）也偵測到這伽馬射線暴。從伽馬射線暴抵達兩個探測器的時間差，估算出伽馬射線暴的大致天空定位，這動作促使對於伽馬射線暴的準確天空定位獲得改善。

雖然伽馬射線源NGC 4993離地球不遠，[f]偵測到的信號相當微弱，這可能是因為併合過程所生成的物質噴流不是直接噴向地球，而是與地球視線呈30ﾟ角度。仔細分析費米伽瑪射線空間望遠鏡數據可以揭示，GRB 170817A分為兩個組分。第一個組分是主脈波，其時期是從併合事件的0.320秒前至0.256秒後，它的最佳擬合是康普頓化函式，即被指數截止的冪定律。第二個組分是弱尾巴，其緊跟在主脈波之後，累積通量為主脈波的34%，頻譜類似軟黑體頻譜，溫度約為10^8K。

電磁波

其他研究團隊的一系列通知與報告，促使了很多巡天調查與程控望遠鏡立即進行大規模探索。由於探索區域相當廣泛，約為月球覆蓋天空區域的150倍，由於探索區域離太陽的角距離很近，因此只剩下在黃昏之後的幾個小時內可以用來做觀測，因為探索區域會很快地降到地平線以下。

GW170817光學圖片

在併合事件的10.87小時之後，斯沃普超新星巡天利用位於拉斯坎帕納斯天文台，運作波段為近紅外線的1米直徑斯沃普望遠鏡，在NGC 4993影像里找到了光學暫現源的蹤跡。在這時刻的1小時內，另外還有5個團隊也拍攝到暫現源的蹤跡。它們分別是小於40百萬秒差距巡天、可見光和紅外巡天望遠鏡、暗能量相機、拉斯坎帕納斯天文台。斯沃普超新星巡天團隊將這光學暫現源命名為“SSS17a”，後來被國際天文學聯合會（正式命名為“AT 2017gfo”。

經過望遠鏡巡天，找到了一個新的暫現源和其所位居的宿主星系，並且給出的離地球距離跟單獨使用引力波所估算出的距離相符合。由於已偵測到光學源，因此定位的準確性獲得大量改善，很多大型地基望遠鏡與空間望遠鏡能夠在之後的幾周持續地觀測光學源。在併合事件的15.3小時候，雨燕衛星開始偵測到明亮的紫外線。

在之後兩天裡，隨著光學源的擴張與降溫，光學源所發射出紫外線與藍色光變得黯淡，近紅外線變得更為明亮。約一個星期後，紅色光與近紅外線也開始變得黯淡。在併合事件的9天后，錢德拉X射線天文台開始偵測到X射線；16天后，美國紐墨西哥州的甚大天線陣開始偵測到無線電波。多過70個電磁波天文台觀測到併合事件。

甚大望遠鏡的X射線相機拍攝到的頻譜合成圖

在首先偵測到光學源的30分鐘後，觀察團隊獲得了光學源的頻譜，其在 400-1000nm 之間顯示出藍色與無特徵的連續性波段，符合黑體模型的冪定律。藍色與無特徵的連續性波段常見於激變變星與初期的核心坍縮超新星，因此雖然不很尋常，但也不是史無前例的行為。在併合事件的1.46天后，才出現明顯的特徵。對於頻譜做黑體模型分析，可以得到以下結果：在併合事件的 11.75小時之後的1小時期間，光球半徑約從 3.3×1012m增加至 4.1×10^12m，溫度約從 11000K降低至 9300K，光球速度為光速的 30%；

AT 2017gfo的確是GW170817的後果，這可以由幾個強而有力的證據來證實：

光學源的顏色演化與頻譜不同於其它任何已知超新星。

宿主星系的距離與引力波探測器的獨立估算相符合。

在引力波探測器的天空定位區域沒有發現任何其它光學源。

在併合事件發生前的各種影像存檔里，在AT 2017gfo的位置並沒有找到任何星體，因此排除該星體是在銀河系里的前景變星的可能。

中微子

在觀測到GW170817的訊息被發布之後，IceCube中微子觀測站、心宿二中微子望遠鏡與皮埃爾·俄歇觀測站都嘗試探測伴隨的高能量中微子，然而在併合事件發生的500秒前後期間與14天期間，它們都沒有觀測到顯著的來自於GW170817的中微子。學者認為，這是因為中微子噴流的噴射方向並不是指向地球，而是與波源地球軸線呈大角度的差角距。假若能夠探測到中微子，則可揭露更多關於合併事件的信息，例如，併合事件所涉及到的強子的能量與密度、能量耗散機制。

併合細節

這次事件的引力波相當響亮，是至2018年為止最響亮的一次，總信噪比為32.4。從分析觀測到的引力波數據，可以推論，這併合事件是因兩個中子星相撞而成。

假設自轉很快，則在90%可靠區域之內，總質量為2.73~3.29太陽質量，兩個中子星的質量分別為1.36~2.26太陽質量和0.86~1.36 太陽質量。根據先前觀察到的中子雙星數據。

假設自轉很慢，則在90%可靠區域之內，總質量為2.73~2.78太陽質量，兩個中子星的質量分別為1.36~1.60 太陽質量和1.17~1.36 太陽質量。

啁啾質量是對於引力波信號做分析能夠獲得的關於量度質量的最佳變數。GW170817的啁啾質量為1.186~1.192太陽質量。

重要性

在天文學里，GW170817是劃時代的里程碑事件。在正式宣布合併事件的那一天，吸引了全世界共襄盛舉。超過70台陸基或空基天文台的望遠鏡對於這次事件進行觀測。

GW170817是首次被偵測到發射引力波的中子星併合事件，它揭示中子星併合確實會發生，並且證實了中子星併合導致短暫伽馬射線暴與千新星。GW170817也是首次被偵測到兼然發射引力波與電磁輻射的天文事件，因此將引力波的觀測與天文學其它領域連結在一起。這關鍵的連結可以用來給出另一種量度宇宙膨脹速率的方法，從而確認或校正先前用其它方法獲得的結果。GW170817能夠對於併合事件給出更為詳細的描述：從觀測獲得的電磁現象數據，能夠對併合事件給予準確定位，並且辨認出它的寄主星系，還能夠研究併合事件所排放出物質的物理行為，例如，相對論性噴射與非相對論性噴出物的來龍去脈。

這次併合事件對於短暫伽馬射線暴給出解釋。自從1990年代以來，天文學界普遍認為短暫伽馬射線暴是來自於中子星併合，然而苦無實證。經過這次併合事件，證實任何伴隨著引力波事件的伽馬射線暴應是源自於中子星併合。由於這次短暫伽馬射線暴事件發生的位置比先前任何類似事件近十倍，因此科學家可以更容易研究其物理行為。然而，偵測到的信號相當微弱，這可能是因為併合過程所生成的物質噴流不是直接噴向地球，很多伽馬射線暴的信號顯得很微弱的原因，不是因為他們離地球很遠，而是因為它們的噴流方向不是直接朝向地球。

這次併合事件證實了千新星存在，更詳細地說，千新星是因中子星併合而產生的天文現象。中子雙星的旋近與併合會排放出很多豐中子的原子核，其會通過一系列捕獲中子而快速增長(R-過程)，然後又通過放射性衰變快速變為另一種化學元素。千新星的驅動倚賴的就是R過程的放射性衰變。之前於2013年6月，就曾經觀察到一次千新星，但是由於發生位置離地球很遠，因此信號極為微弱。這次千新星的信號很強烈，非常明顯地展示出中子雙星併合後的R過程。另外，在中子雙星四周的排放物質因R過程而發射出的大量光波，會因為重元素吸收藍波段而變得越來越紅。令人驚訝的是，這次千新星所展示出的行為跟理論預測相當一致。

這次併合事件得出一個結論，即很可能所有的重元素都是源自於千新星的R過程。經估算，這次事件製成的重元素約為6 %太陽質量，其中，金元素約占200地球質量、白金元素約占500地球質量。對於中子星合併能夠製成所有宇宙的金元素、白金元素的理論，以及中子星合併能夠製成約一半數量所有比鐵元素還重的元素的理論，這次事件的實驗數據提供了強力支持。

對於電磁波與引力波之間的波速差，GW170817給出上限。假定第一顆光子的發射時間是在引力波發射峰值時間之後的1秒至10秒之間，則引力波與電磁波之間的波速差被限制在光速乘以 −(3×10^-15) 與 +(7×10^-16)之間，比先前的上限改善了14個數量級。GW170817可以用來檢試等效原理（通過引力時間延遲效應測量）與洛倫茲不變性。

廣義相對論無法對於宇宙加速膨脹給出解釋，因此，很多種替代理論試圖以暗能量的概念來解釋宇宙加速膨脹。GW170817排除了某些替代理論。例如，嚴格約束標量-張量理論與郝拉法引力、對於雙度規理論設定引力子質量上限、駁回暗物質仿真理論。GW170817還證實，傳播於時空的引力波，也會如同電磁波一般，被暗物質彎曲時空效應所影響。總括而言，由於GW170817對於引力波與電磁波的波速差所給出的嚴格限制，任何新式的替代理論，必須假設引力波與電磁波的傳播速度相等。

像GW170817 這一類的引力波信號可以被用為標準警笛，其能給出另一種量度哈勃常數的方法。