GW 170817——第一起双中子星并合引力波事件
自2015年秋季启用以来，高新激光干涉引力波观测台（aLIGO）已经公布了数次引力波探测。这些信号都源自恒星级的双黑洞并合，并无可靠的电磁波对应体被发现（第一次事件GW 150914的费米GBM疑似成协源现在看来也愈发不可靠）。但毕竟关于黑洞并合过程能否产生电磁辐射仍存在不小的争议，万众期待的引力波暴多信使协同探测还是要依靠中子星过程来实现。不过中子星并合所能激起的时空涟漪水平不及黑洞，所以哪怕以aLIGO的能力，也只能对最邻近的事件有所感知。
而这样的一桩事件在今年8月17日真的发生了。两天之前的10月16日，aLIGO团队偕同合作者宣布了第一起源于双中子星并合的引力波暴——GW 170817的探测结果；而几乎所有高能天体物理卫星，以及数不胜数的光学和射电望远镜都参与了对其成协电磁对应体的搜寻和研究。这次的多信使观测战役在天文界激起的波澜着实创下了记录——仅仅16日当天，论文预印本文库arXiv就释放了超过160篇天体物理方面的新论文——以个人的经历来看，这是自2006年以来的最高记录，相信也是arXiv创立以来的极致——这其中，相当一部分文章的主题都是从不同方面来探讨GW 170817。
艺术家笔下碰撞瞬间的双中子星。（图片提供：NASA/Swift/Dana Berry）
更确切地说，有关GW 170817的细节其实在aLIGO被触发后的半小时即已公诸于世——这是电磁对应体及时认证前提；而所有参与此次事件后续观测的空间或地面望远镜也都做到了及时将自家的结果公开。在aLIGO完成了最初几次探测，并逐步走入正轨之后，如此这般的实时数据共享已经成为了例行公事。只不过这些都是以高能时域天文学界互通有无的大本营伽玛暴坐标网（GCN）为平台进行的，它所面向的群体较为专业，因此绝大多数民众（甚至其他领域的专业天文学家）可能都对其所知甚少。所谓现在能够及时获知aLIGO的触发就属于内部人士，或者海外对中国封锁消息导致的中国本土的望远镜未能参与GW 170817的联测，持有这种观点的某L姓天文外行及其粉丝还是歇一歇吧，就实在不想提本人在刚刚过去的这个夏天替你收拾破烂摊子的经历有多么恼人了，你只顾在外不务正业借粉丝之力捞钱，对内也不能如此不负责任地坑害同事啊……
GW 170817的信号在aLIGO系统中持续了差不多2分钟——这是中子星并合与黑洞并合事件的显著差异之一，后者的引力波时长只有零点几秒。不过与黑洞相比，中子星的结构要复杂很多，其内部的物质状态也存在大量疑点，故而对相关过程的引力波波形并没有非常确定的预言，只能说由于中子星质量小于黑洞，因此其信号持续时间更长，aLIGO的研究者一开始就是籍此判断出GW 170817来自中子星的。而这次的引力波振幅与频率演化形态想必会为中子星物态带来全新的线索，从而在不久的将来让致密天体相关理论更上层楼。
GW 170817（上）与黑洞并合事件GW 150914（下）的引力波时间-频率演化图，可见后者的持续时标远较前者为短。（图片提供：Caltech/MIT/LIGO Lab）
根据推算，产生GW 170817的两颗中子星位于40兆秒差距之外，各自的质量介于太阳的1.1到1.6倍之间。这是aLIGO探测到的第5次事件，还是第2次与意大利的VIRGO探测器联合定位的事件——就在它出现3天之前，GW 170814成了aLIGO与VIRGO一道发现的第一起引力波暴（同时这也是VIRGO在8月1日完成升级投入运营后的首秀）。多架仪器联合探测的意义在于定位精度的大大提升——一对地理位置不同的探测器接收到同一次信号的到达时间有微小的区别，由此可以将信号源追溯到一个面积数百平方度的“香蕉”状窄条天区内。探测器对的数量越多，香蕉们的共同交点就越小，源区的定位自然也越精确。
不过这次虽然GW 170817抵达VIRGO的时间最早（比aLIGO的Livingston站早22毫秒，比Hanford站早25毫秒），但这台仪器并没有被及时触发，甚至后续的数据处理也没能找到高置信水平的强信号。这说明GW 170817的来源必然处在VIRGO灵敏度受限的天区，靠近事件发生时台站的地平线，而这里恰与aLIGO本身的“香蕉”有所交叠，这何尝不是一条宝贵的信息。
在aLIGO/VIRGO的团队忙于处理引力波数据的同期，另一个故事乍看之下就是司空见惯的伽玛暴探测。费米伽玛射线空间望远镜的伽玛暴监视仪（GBM）在GW 170817出现前后被一次具有典型伽玛暴亮度的流量突增触发。按照国际惯例，这个暴被命名为GRB 170817A，并在触发十数秒后经由GCN通报给了全世界。引人注目的是，GRB 170817A是一起短暴，T90只有2秒左右。按照伽玛暴起源的经典理论，此类爆发理应源自双致密星，尤其是双中子星的并合，只是该模型一直没有得到观测的直接验证。
双中子星并合期间的引力波辐射（左）与物质抛射（右）示意。（图片提供：Caltech/MIT/LIGO Lab）
GRB 170817A与GW 170817的关联则第一次提供了检验短暴模型的机会。从时间上看，GBM的触发时刻只比根据GW 170817波形图推出的双星并合时间晚了1.734秒；从位置上看，GBM宽达数度的定位误差框也覆盖了aLIGO/VIRGO共同描绘的小“香蕉”，因此这个伽玛暴与引力波源成协的概率极大，几乎可以排除纯粹巧合的可能性。更且与GW 150914不同，这次费米并非孤军作战，欧洲空间局的INTEGRAL卫星对GRB 170817A也有可靠的探测，加强了其可信性。
GRB 170817A与GW 170817在时间和方位上的重合一下子就吸引了整个天文界的注意力。但不巧的是，这起事件发生在南天，因此北半球的相当一部分台站只能望之兴叹。不过从智利到澳大利亚，从南极到太空，数以十计的望远镜纷纷转向，以图寻找可能与之相伴的多波段对应体。
加州大学圣克鲁兹大学主持的两半球1米望远镜计划（1M2H）在引力波/伽玛射线发生不到11小时后，利用智利Las Campanas天文台的1米Swope望远镜，结合根据恒星质量和产星速率逐一关注误差框内各个星系的策略，率先发现了一个i波段17等左右的新源SSS17a（后来被命名为AT 2017gfo），稍后这一发现得到了其他多个小组的证实。AT 2017gfo位于长蛇座大约40 Mpc外一个透镜星系NGC 4993的外围，这不仅与众多短暴发生在早型星系边缘的特性相符，从距离上看也与针对GW 170817的估计一致。
GW 170817的费米/INTEGRAL与aLIGO/VIRGO定位误差框位置，右侧插图是Swope望远镜率先误差框中新源AT 2017gfo，以及AT 2017gfo出现前宿主星系NGC 4993的档案照片。（图片来源：Abbott et al. 2017）
根据红外到紫外波段的持续观测，AT 2017gfo的辐射在短波一端出现了迅速的衰减，在红外却陆续表现出了反常的早期增亮，在GRB 170817A爆发数周后方才减弱——这与对同样源于双致密星并合的kilonova的理论预言相符，其辐射的驱动力主要来自亚相对论性抛射物的放射性衰变。
令人欣慰的是，对AT 2017gfo的光谱观测表明，其早期辐射近似于连续谱，之后也没有表现出典型超新星的任何特征，所以不可能是NGC 4993中一起普通的恒星爆发。而这个源倒是具备金、铂以及稀土元素的谱线，符合对中子星并合过后的核物质衰变产生重元素的理论预期——GW 170817正好也源于这样的过程。此等kilonova现象虽然早已被预言，但迟迟未能现身，之前的GRB 130603B成协事件身份也存疑，这次倒是找到了迄今最佳的候选体。
但对于长于勾勒爆发抛射物结构、能量和取向的早期X射线余辉观测来说，几天内但见各路GCN通报中只有连篇累牍的upper limit和constraint，简直可以用全军覆没来形容。直到暴后9天，钱德拉X射线天文台才第一次确认了成协X射线对应体的存在。而可以给出高速抛射物信息的射电余辉更是直到9月初才浮出了水面。不过LIGO触发过后不久IceCube在GCN通报中宣布找到了时间与位置与单凭LIGO的定位香蕉吻合的中微子事件，随后又称该中微子的入射方向不符合利用VIRGO改进后的误差框，让天文界空欢喜一场。否则这岂止是第一次引力波和电磁辐射双信使探测，简直是结合了引力波、电磁信号和粒子三者，那可称得上是无数观测者终极理想。（按照果壳网无节操无底线的编辑Steed、拇姬等人的观点，这次应该又要说科学家搞出宇宙级乌龙了吧？但还是要强调，GCN的作用只在于向业内同行及时通报进度，并非最终结果。为了赶时间，如此因信息不足而导致的误判根本就不算事。另，在此点名的这两位，千万不要以为本人能够原谅你们在3年前一手炮制的M31闹剧，如果你们还是持有当年辩解信中那样一种态度的话。）
哈勃空间望远镜以及钱德拉X射线天文台观测到的GRB 170817A可见光/X射线对应体，以白色方框标出。（图片提供：NASA/CXC/E. Troja）
早期X射线探测的缺乏意味着什么？前面提到过，GRB 170817A的亮度与典型伽玛暴相当，而根据其光学对应体的宿主星系，它位于40兆秒差距之外，合红移0.0097左右——这个数字可比典型伽玛暴的距离近多了，已知距离的短暴典型红移都有零点几。光度正常距离较近，这意味着该暴的能量很低，跻身最弱的伽玛暴之列。近期陆续发表的众多论文将之解释为“偏轴”观测的伽玛暴，换句话说就是抛射物喷流并未正对地球，因此我们所见的喷流辐射水平远较正常爆发为弱。
但对于GW 170817/GRB 170817A成协kilonova的探测来说，偏轴着实是好事一桩，因为搜索该现象的最大难度就在于伽玛暴余辉的干扰，这次爆发的系统取向让余辉的辐射水平降到了最低，同时其较近的距离又让主暴本身不会被GBM忽略。更进一步，双中子星绕转、并合，释放出的引力波在轨道平面上达到最强（虽然沿轴向的辐射也还是存在的），偏轴在一定程度上增大了引力波信号的幅度。可以说这次之所以能够实现引力波与电磁信号的联合探测，顺便又发现了长期以来为人苦苦追寻的kilonova，种种偶然因素也是功不可没。
GW 170817/GRB 170817A的同期多信使观测不仅昭示着天文学观测技术的重大进步，展现着多信使天文学未来的诱人前景，更一举解决了短伽玛暴起源、kilonova的形态等困扰天文学家多年的重大问题，更有望对中子星深藏不露的内部作出关键限制，因此其理论方面的意义在个人看来要远大于先前的几次黑洞并合引力波。考虑aLIGO正式启用前有多方估计其探测双中子星并合的概率并不高，如今却仅仅过了两年不到就找到了第一个这样的事件，引力波探测领域未来可能的前景也相当值得期待。
