科学家于周一宣布，他们首次探测到来自两颗中子星碰撞的时空涟漪，标志着天文学和物理学新时代的开始。这些波于 8 月 17 日从印度洋上空的天空中传来，在美国激光干涉引力波天文台（LIGO）的双探测站以及位于意大利的欧洲探测器 Virgo 中被记录下来。这是科学家在过去两年中第五次证实观测到此类波，这种现象是爱因斯坦在一个多世纪前首次预测的——并因此为 LIGO 的三位领导者赢得了今年的诺贝尔物理学奖。
然而，之前探测到的所有引力波都来自合并的黑洞对。这些天体的密度如此之大，以至于光线都无法逃脱它们的引力，这使得此类合并对于普通望远镜来说基本上是不可见的，尽管它们在极其剧烈的死亡螺旋的最后时刻产生了巨大的引力波。如果没有更大的引力波天文台网络，天文学家就无法精确定位合并黑洞的精确位置，更不用说深入研究它们了。
但是，与黑洞相比，中子星合并始于可以算是轻量级的天体。中子星是已消亡的大质量恒星的高度压缩核心，是在超新星爆炸后形成的。它的引力场足够强大，可以将相当于整个太阳的物质挤压并分解成一个城市大小的中子球，使其与其说是一颗真正的“恒星”，不如说是一个像曼哈顿一样大的原子核。但是，中子星的引力仍然太弱，无法捕获光线。因此，两颗中子星猛烈撞击在一起产生的闪光可以逃逸到宇宙中，不仅产生引力波，还会为任何有兴趣观看的人产生宇宙中最绚丽的烟火表演之一。
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在这种情况下，在引力波最初的啁啾声预示合并开始之后，“烟火”包括持续两秒钟的伽马射线暴 (GRB)，随后是持续数周的多波长余辉——“任何人”都被证明是几乎所有地球上得知该事件的天文学家和物理学家。费米伽马射线太空望远镜的项目科学家朱莉·麦克恩利表示，费米望远镜发现了 GRB，称 8 月 17 日是“费米九年任务中最激动人心的早晨”。
与 LIGO 和 Virgo 物理学家合作的天文学家已被要求保密。但是，世界各地的大量后续观测不可避免地引发了关于追踪碰撞及其后果的全球行动的公开传言，现在这些传言已得到证实。由此产生的新观测和理论热潮是“多信使”天文学迄今为止最强有力的例证，在这个新兴领域中，从天体物理灾难中发射出的光、引力波和亚原子粒子被收集并统一研究。
在一系列压倒性的巨量论文中，研究人员同时在多家期刊上发表文章，将最新事件与广泛的现象联系起来，并为从基本核物理学到宇宙的大规模演化等一切事物提供了新的见解。除其他外，这次合并让观测者得以亲眼目睹黑洞的诞生，碰撞的中子星很可能产生了黑洞。然而，最闪耀的发现是确凿的证据，表明中子星合并——而不是普通的超新星——是锻造宇宙重元素的宇宙坩埚：包括铀、铂和金在内的物质。
因此，看起来核反应堆中的放射性堆、您汽车中的催化转化器，以及是的，您结婚戒指中的贵金属，都可能来自宇宙中最小、最密集和最奇异的恒星的粉碎内脏——或者至少是任何可以逃脱而不会落入合并产生的黑洞中的部分。这一结果可能解决关于重元素宇宙起源的持续争论，这场争论已经困扰理论家半个多世纪了。宇宙中大部分的氢和氦是在大爆炸后的最初时刻产生的，而大部分较轻的元素——氧、碳、氮等等——是由恒星中的核聚变形成的。但是，最重元素的起源直到现在仍然是一个悬而未决的问题。
“我们已经找到了富矿！”佐治亚理工学院的天体物理学家和 LIGO 的副发言人劳拉·卡多纳蒂说。“这真的是我们首次对单个天体物理事件进行多信使探测，其中引力波告诉我们灾难发生之前发生了什么，而电磁辐射告诉我们之后发生了什么。”卡多纳蒂表示，尽管目前尚无定论，但对该事件引力波的分析最终可能会揭示物质在合并时如何在 neutron stars 中“晃动”的细节，从而为研究人员提供一种研究这些奇异天体的新方法，并了解它们在坍缩成黑洞之前究竟能变得多大。卡多纳蒂相关地指出，在引力波啁啾声结束和 GRB 开始之间存在大约两秒钟的神秘间隔——也许在这段时间内，合并后的中子星的结构完整性短暂地抵抗了不可避免的坍缩。
对于许多研究人员来说，这一突破已经期待已久。“我的梦想成真了，”哥伦比亚大学的天体物理学家和 LIGO 团队成员 Szabolcs Marka 说，他是 20 世纪 90 年代末多信使天文学的早期倡导者。他回忆说，那时他被视为“那个疯子”，试图为引力波的后续观测做准备——这种现象在当时离直接探测还有几十年。“现在，我和其他人感到欣慰，”Marka 说。“我们已经在非常多样的信使中研究了这个碰撞的中子星系统。我们已经在引力波、伽马射线、紫外线、可见光和红外光以及 X 射线和无线电波中看到了它。……这就是天文学的革命——演变——我 20 年前首次希望看到的。”
美国国家科学基金会（NSF，为 LIGO 提供大部分资金的美国联邦机构）主任弗朗斯·科尔多瓦称赞该天文台的最新成就是“科学史上的历史性时刻”，如果没有政府数十年来对各种天体物理天文台的持续支持，这是不可能实现的。“从全球听到的第一个短暂的啁啾声到最新的、更长的啁啾声，引力波的探测不仅验证了 NSF 进行的高风险、高回报投资的类型，而且还激励我们想要做得更多，”科尔多瓦说。“我希望 NSF 将继续支持创新者和创新，这些创新将改变知识，并激励后代。”
黄金机会
在最初探测到合并的引力波及其随后的 GRB（后者立即被费米和 Integral 太空望远镜观测到）之后，竞赛开始了，目的是在天空中找到碰撞的来源——并有望找到其余辉。在几个小时内，多个团队调集了可用的望远镜，凝视 LIGO 和 Virgo 的科学家计算出的来源必须存在的区域：一片跨越 31 平方度的天空，其中包含数百个星系。（卡多纳蒂说，仅使用 LIGO，搜索就像“在太平洋中寻找金戒指的微光”。她说，随着来自 Virgo 的第三个数据点的加入，研究人员可以正确地三角定位来源的位置，将搜索范围缩小到更像是在“地中海某处寻找金戒指”。）
大部分观测发生在智利的天文台，太阳落山后，关键的天空区域升到地平线上，不同的团队采用了各种搜索策略。有些人只是用观测“平铺”该区域，从一侧到另一侧有条不紊地移动；另一些人则瞄准了理论上认为最有可能发生中子星合并的星系子集。简而言之，目标策略胜出。
第一个真正看到光学余辉的是加州大学圣克鲁兹分校的博士后研究员查尔斯·基尔帕特里克。他坐在办公桌前，整理圣克鲁兹的天文学家瑞恩·福利的同事之一委托他整理的选定星系的图像，瑞恩·福利曾帮助组织了这项活动。在他检查的第九张图像中，这是同事们在半个地球之外使用智利拉斯坎帕纳斯天文台的米级斯沃普望远镜匆忙拍摄和传输的，他看到了它：一个明亮的蓝色点，嵌入在一个巨大的椭圆星系中，这是一个 100 亿年前的古老红色恒星群，距离地球约 1.2 亿光年，除了目录名称外，没有其他名称。人们认为，由于这些星系的年龄较大、恒星密度较高且近期恒星形成相对较少，因此它们是中子星合并的主要宇宙家园。与同一星系早期图像的并排比较显示没有这样的点；这是一个新的和最近出现的东西。“我非常缓慢地意识到这是一个多么重要的时刻，”基尔帕特里克回忆道，“但我当时正处于隧道视野中，只是想尽可能快地工作。”
基尔帕特里克通知了包括卡内基天文台天文学家乔什·西蒙在内的其他团队成员，后者迅速使用智利更大的 6.5 米双麦哲伦望远镜之一获得了确认图像。蓝色点也在那里。在一个小时的过程中，西蒙通过一对五分钟的曝光测量了该点的光谱——它发出的各种颜色的光。他认为，这些光谱可能对进一步研究有用——或者，如果没有其他作用，它们可以用来确保这个光点不是普通的超新星或其他宇宙冒名顶替者。与此同时，其他团队也发现了这个点，并忙于自己的后续行动。然而，福利团队的快速确认和光谱证实了他们的来源。“我们有这张图像的第一张照片，我们也有这张图像中光源的第一个识别，”西蒙说。“因为我们如此早地获得了这两者，所以我们还能够获得这次合并的第一个光谱——这是智利当晚没有其他人能够做到的——然后我们向社区的其他成员发布了第一个公告。”
早期的光谱观测对于后续分析和解决几个谜团至关重要。它们显示，合并的残余物迅速冷却，从天空中明亮的宝石蓝色褪色为暗淡的红宝石色。在接下来的几周观测中，随着可见光点褪色，其余辉在较冷、波长更长的红外光中转移和达到峰值，这些读数得到了验证。颜色、冷却和膨胀的一般模式与哥伦比亚大学的布赖恩·梅茨格和加州大学伯克利分校的丹·卡森等一些理论家早些年各自独立预测的结果非常接近。
简而言之，梅茨格解释说，天文学家从合并的余波中看到的是一种叫做“千新星”的现象：一种由中子星喷射出的白炽、富含中子的物质的放射性衰变产生的强烈光度爆发。随着物质膨胀和冷却，其大部分中子被铁和其他重元素的原子核捕获，这些重元素是中子星形成超新星爆炸后遗留下来的灰烬，从而产生更重的元素。“在大约一秒钟的时间里，当喷射物捕获这些中子并在太空中膨胀时，其中一次合并将形成元素周期表的下半部分——金、铂、铀等等，”梅茨格说。接近尾声时，千新星的光线急剧转移到红外线，因为流经喷射物的级联中子会锻造出最重的元素，这些元素有效地吸收可见光。
反过来，测量千新星的光谱演化，使天文学家能够估计它产生的不同元素的数量。哈佛-史密森天体物理学中心的 Edo Berger 研究千新星，并监督了对这次合并的许多最雄心勃勃的后续观测，他表示，该事件产生了大约 16,000 个地球质量的重元素。“那是一切——黄金和铂金和铀，以及你在元素周期表上看到的只是一些字母，而你不知道它们名字的那些奇怪的元素，”他说。“至于分解情况？为此，我认为我们还没有确切的答案。”
一些理论家认为，在这次合并中只产生了数十个地球质量的黄金。梅茨格自己估计，这次合并的黄金产量约为 100 个地球质量，铂金的产量约为黄金的三倍，铀的产量约为黄金的十分之一。无论如何，当与根据最新探测结果部分更新的这些合并必须发生的频率的统计估计相结合时，“你得到每个星系每年足够高的发生率，以建立形成我们自己太阳系的元素以及我们在其他恒星中看到的丰度，”梅茨格说。“我们看到的所有东西，你都可以通过这些合并来解释。可能还有其他方法可以制造重元素，但你似乎不需要它们。”他说，平均而言，银河系中可能每 10,000 年才发生一次中子星合并。
遥远的边疆
更重要的是，研究合并的千新星如何演化可以传达关于碰撞如何展开的关键信息。例如，这次合并的初始发射光比预期的更蓝，这向梅茨格和其他人表明，千新星是从一个角度而不是正面观察到的。在这种情况下，早期的蓝色发射将来自一个球形壳层或赤道带，其中包含相对贫中子的物质，这些物质以大约 10% 的光速从中子星中喷射出来。较晚的、较红的发射将来自非常富含中子的物质，这些物质以两到三倍更高的速度从中子星的两极喷射出来，就像从管子里挤出来的牙膏一样，当它们碰撞时。
结合详细的 X 射线和无线电观测，这种情况有助于解释与合并相关的伽马射线暴的奇特性质——这是有史以来观测到的最接近的 GRB，但也是最微弱的 GRB 之一。人们认为，短 GRB 是由碰撞的中子星在合并并坍缩成黑洞时，由内部翻腾的磁场旋转和喷射出接近光速的双极喷流的强烈辐射。如果正面观察——从 GRB 枪管向下看，可以这么说——它们会非常明亮。大多数天文学家在遥远宇宙中观测到的此类爆发都是这种情况。但是，如果它们从我们的角度倾斜或倾斜，它们将显得相当暗淡，并且只有在它们相对较近（在数亿光年内）的情况下才能被探测到。
然后，利用来自多信使天文学的丰富数据，天文学家最终可以确定整个可观测宇宙中许多千新星的观测角度，使每个千新星都成为测量大规模宇宙结构和演化的更有效的标记。这可能使科学家能够更好地面对一个可能比重元素起源更深奥的谜团：宇宙不仅在膨胀，而且在一种被称为暗能量的宇宙范围内的反引力的影响下，正以不断增加的速度加速，这一令人费解的事实。
宇宙学家希望通过精确测量暗能量对宇宙的影响来更好地理解暗能量，跟踪宇宙中越来越遥远区域的天体，以了解它们离我们有多远，以及它们在暗能量加速流动中移动的速度有多快。但是，要做到这一点，他们需要可靠的“标准烛光”，即亮度已知的天体，可以用来校准这种广阔、全面的时空视野。芝加哥大学的天体物理学家和 LIGO 合作者丹尼尔·霍尔茨已经证明了合并的中子星如何为这项工作做出贡献。他的工作表明，最新合并的引力波强度及其千新星的发射可以用来计算局部宇宙的膨胀率。仅限于一次合并，该技术产生的数值具有很大的不确定性，尽管仍与其他方法获得的膨胀率相近。但是在未来几年——随着引力波天文台和新一代地面和太空大型望远镜协同工作，每年识别出数百甚至数千次中子星碰撞——这些估计值将显着提高。
“所有这些意味着 LIGO 和 Virgo 测量的来自这些合并的引力波与千新星建模相辅相成，后者表明它们的倾角，它们的观测角度，是通过它们从蓝色到红色的光谱演化来确定的，”罗切斯特理工学院的天体物理学家和 LIGO 团队成员理查德·奥肖内西说。“这是一个强大的协同作用。如果我们知道倾角，我们就可以知道距离，这有助于我们进行宇宙学研究。这里所做的是我们未来将定期进行的样机。”
“如果你考虑一下，宇宙有点像一个宇宙粒子对撞机，中子星是粒子，”奥肖内西说。“它把它们扔到一起，我们现在有机会看看会发生什么。在未来几年里，我们将看到很多这样的事件——有多少，我无法告诉你，但人们已经将其描述为‘雨’。这次事件是一块罗塞塔石碑，为我们提供了真实的数据，可以将以前只存在于理论家的头脑中或作为超级计算机模拟中的比特的天体物理学不同线索联系起来。它使我们能够了解重元素的宇宙丰度。它使我们能够探测极端密度下核物质的粘稠度。它使我们能够测量宇宙的膨胀。这些协同作用为未来几十年的所有高能天体物理学设定了议程，并且建立在数十年的投资之上。我们现在正在收获回报，一座质量是地球质量 10 倍或 100 倍的金山，是宇宙刚刚给我们的。”