GW170817

GW170817是雷射干涉重力波天文臺在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。學者認為，不會觀測到關於黑洞併合的任何相關的電磁波訊號。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。對於這一次併合事件，至少有三種不同的觀測方法分別見證到不同的現象：宣告.此一事件於2017年10月16日正式在美國的華盛頓特區和德國的加興宣佈。這份訊息最早是由德州大學奧斯丁分校的天文學家克雷格·惠勒，離地球最近的一次引力波偵測事件。參與的幾個機構早先拒絕對此傳言做說明，只公告宣告有幾個探測器發現異常的現象需要分析，直至2017年10月16日才發表了官方宣告。偵獲引力波.此次引力波訊號持續約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，併合的時刻為12:41:04.4 UTC。:2 這個訊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毫秒後到達位於美國華盛頓州漢福德的LIGO探測器。用來配對引力波訊號的波型模板是按照廣義相對論的後牛頓近似理論製成。:3在併合事件發生的6分鐘之後，對於LIGO漢福德的資料進行的電腦探索分析引發了「觸發」機制，LIGO立即將這單探測器引力波觸發事件資訊，透過GCN通知，宣佈非常可能發現了伴隨著伽瑪射線暴的中子星併合事件，還給出大致的引力波源位置。:第2節對於併合事件的天空定位，需要分析從三個干涉儀獲得的資料。但在分析過程中，由於發生兩個問題，因此延緩了約4.5小時才獲得天空定位。第一個問題是，在併合前幾秒，LIGO利文斯頓的資料出現了短暫噪聲幹擾，這是由於儀器噪聲而產生的問題，因此實時分析軟體忽略了訊號，必須用手工分析資料，進行「削減措施」，在不影響訊號的前提下除去燥聲。第二個問題是，由於技術故障造成VIRGO連續流送資料的中斷，因此延遲了40分鐘，研究員才發現偵測到引力波訊號，由於引力波恰巧傳播至VIRGO探測器的盲角附近，所以訊號非常微弱，很難被偵測到。在17:54:51 UTC，這三個探測器將訊號源定位在南天的一個31平方度的90%內。後來，更仔細地計算，將訊號源定位在28平方度的90%可靠區域內。偵獲伽瑪射線.費米伽瑪射線空間望遠鏡也偵測到這伽瑪射線暴。從伽瑪射線暴抵達兩個探測器的時間差，天文學者估算出伽瑪射線暴的大致天空定位，這動作促使對於伽瑪射線暴的準確天空定位獲得改善。:第2.2節雖然伽瑪射線源NGC 4993離地球不遠，偵測到的訊號相當微弱，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Fermi資料可以揭示，GRB 170817A分為兩個組分。第一個組份是主脈波，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，即被指數截止的冪定律。第二個組份是弱尾巴，其緊跟在主脈波之後，為主脈波的34%，頻譜類似軟黑體頻譜，溫度約為108K。:第2.2節偵獲電磁波.被發布給其他研究團隊的一系列通知與報告，包括於 13:21 UTC 發布的伽瑪射線暴與引力波觸發的GCN報告，以及於 17:54 UTC 發布的三臺 LIGO 引力波探測器所給出的天空定位GCN報告，促使了很多巡天調查與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，而且在那時期，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。最先偵測到併合事件所伴隨的可見光的團隊是正式命名為「AT 2017gfo」。:5-6SSS團隊對於LIGO給出的天空區域進行巡天，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，不確定性從幾十角度減低至0.0001角度，所以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。:6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。:6在併合事件的9天後，錢德拉X射線天文臺開始偵測到X射線；16天後，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個電磁波天文臺觀測到併合事件。在首先偵測到光學源的30分鐘後，SSS團隊又首先獲得了光學源的頻譜，其在 4000 與 10000 Å 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塌縮超新星，因此雖然不很尋常，但也不是史無前例的行為。:7在併合事件的1.46天後，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 4.1×1012m，溫度約從 11000K降低至 9300K，光球速度為光速的 30%；:2AT 2017gfo的確是GW170817的後果，這可以由幾個強而有力的證據來證實：:5偵測微中子.在觀測到GW170817的訊息被發布之後，IceCube微中子觀測站、與都嘗試探測伴隨的高能量微中子，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的微中子。學者認為，這是因為微中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。假若能夠探測到微中子，則可揭露更多關於合併事件的資訊，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。:27併合細節.這次事件的引力波相當響亮，是至今為止最響亮的一次，總信噪比為32.4。虛警率為每8.0×104年一次。從分析觀測到的引力波資料，可以推論，這併合事件是因兩個中子星對撞而成，對撞速度約為光速的1/3。假設自轉很快，則在90%之內，總質量為，兩個中子星的質量分別為至之間、至之間。根據先前觀察到的中子雙星資料，假設自轉很慢，則在90%可靠區域之內，總質量為，兩個中子星的質量分別為至之間、至之間。啁啾質量是對於引力波訊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。:2, 5:3-4科學重要性.在天文學裡，GW170817是劃時代的里程碑事件。在正式宣佈合併事件的那一天，也發布了很多相關的初步研究論文，這包括在《科學》裡的8篇論文，在《自然》裡的6篇論文，在《天文物理期刊通訊》的一集特刊裡的32篇論文。這次併合事件是舉世矚目的科學大事，吸引了全世界共襄盛舉。在描述關於這併合事件的多信使觀測的一篇論文《對於中子雙星併合的多信使觀測》裡，一共有來自於超過900所研究機構的接近4000名天文學者參與共同執筆，大約為天文學社群成員的三分之一。超過70臺陸基或空基天文臺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瑪射線暴與千新星。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還可以排除某些廣義相對論的替代理論。:19-21長久以來，學者就猜想，假設參與併合的兩個緻密星體之中，至少有一個是中子星，則這併合事件會產生一大籮筐的電磁現象。如今，GW170817已被偵測到發射無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽瑪射線，因此證實了學者的猜想無誤。不單如此，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資料，學者能夠對於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，相對論性噴流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瑪射線暴給出解釋。自從1990年代以來，學者就已認為，短暫伽瑪射線暴是來自於中子星併合，然而苦無實證。現在，經過這次併合事件，學者終於可以斷言，任何伴隨著引力波事件的伽瑪射線暴應是源自於中子星併合。由於這次短暫伽瑪射線暴事件發生的位置比先前任何類似事件近十倍，因此學者可以更容易研究其物理行為。然而，偵測到的訊號相當微弱，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，因此學者表示，很多伽瑪射線暴的訊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，其會透過一系列捕獲中子而快速增長，然後又透過放射性衰變快速變為另一種化學元素，這過程稱為R過程。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，學者曾經觀察到一次千新星，但是由於發生位置離地球很遠，因此訊號極為微弱。這次千新星的訊號很強烈，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。比鐵元素還重的元素，例如金元素、銀元素與白金元素等等，到底是來自何處，是超新星還是千新星？這是一個長久困惑學者的謎題。這次併合事件徹底地解答了這個謎題，即很可能所有的重元素都是源自於千新星的R過程。學者估算，這次事件製成的重元素約為，其中，金元素約佔、白金元素約佔。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，這次事件的實驗資料提供了強力支援。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 vGW − vEM 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與勞侖茲協變性。 對於這次併合事件的觀測，促使勞侖茲協變性破壞的某些極限大約降低了十個數量級。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，嚴格約束與、對於設定引力子質量上限、駁回。GW170817還證實，傳播於時空的引力波，也會如同電磁波一般，被暗物質彎曲時空的效應所影響。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 這一類的引力波訊號可以被用為，其能給出另一種量度哈勃常數的方法。使用這方法，初步估計哈勃常數為 km/s，大致與當今最佳估算相符合。