“捕捉”引力波背后的中國面孔

　　“這是一個劃時代的發現。”一頭銀發的中國科學院紫金山天文臺南極天文中心主任、首席科學家王力帆興奮之情溢于言表。

　　朱鎮熹

　　9天前，全球70多家天文臺共同宣布，人類首次直接探測到雙中子星合并產生的引力波及其伴隨的電磁信號。

　　在這次興奮了整個人類的天文學發現中，中國有兩臺望遠鏡參與了觀測。其中一個是南極天文中心設在南極“冰穹A”上的巡天光學望遠鏡AST3-2，這是中國望遠鏡首次觀測到引力波的輻射源，標志著我國天文研究步入國際先進。

　　近日，廣州日報全媒體記者走訪了中科院紫金山天文臺南極天文中心、南京天文光學技術研究所，解密中國科學家們如何“帶著裝備”加入探測引力波戰團的背后故事。

　　文、圖/廣州日報全媒體記者武威、王丹陽

科學背景

　　引力波也被稱為“時空的漣漪”，1916年愛因斯坦基于廣義相對論預言，劇烈的天體會帶動周圍的時空一起波動。此后百年間，科學家一直在尋找引力波的存在，直到2015年人類首次探測到引力波，3名美國科學家因此獲得今年的諾貝爾物理學獎。

　　2017年8月17日，LIGO(激光干涉引力波天文臺)和VIRGO(歐洲“室女座”引力波探測器)共同探測到引力波事件GW170817，這是人類首次直接探測到雙中子星引力波，第一次同時探測到來自同一個天文星體的引力波與電磁波。

　　此前，人們觀測到的4例引力波事件均來自雙黑洞合并。而觀測雙中子星合并并產生了引力波和電磁波，將有助深入了解核物質的行為。

　　對發現引力波事件GW170817，中國科學院紫金山天文臺南極天文中心主任王力帆將它與哥白尼的日星說、開普勒發現橢圓形軌道、伽利略發現木星的衛星等過往天文學重大發現相提并論。

好比汽車改變人類的發現

　　直到中午時分，工作繁忙、身材瘦削的王力帆才出現在記者眼前，他邀請記者去到紫金山天文臺外的小飯店共進午餐。

　　給自己簡單地點了一碗牛肉面，記者吃的是黑椒牛柳蓋飯。用餐間隙，天文學家王力帆詳細解釋了此次引力波事件的來龍去脈。

　　“這是一個劃時代的發現。我想，不光是天文學的標志性事件，若干年以后，當人們講到我們這個年代的科技時，也必然會提到這個發現，不是排第一，就是排第二。”王力帆說。

　　“我們處在人類社會科學技術大爆炸階段，建造創新型社會是必然的。科技驅動正在讓人類社會發生著深刻的變化。”讓王力帆高興的是，中國望遠鏡探測到引力波的社會效應，就是能讓更多普通人越來越關心科技發展。

　　1994年，從中科大博士畢業，今年是王力帆入行天文學研究的第23年。說起他已灰白的頭發，他笑說與勤奮工作無關，“頭發早就白了，以前還嘗試染過，現在不想染了。”

　　作為中國首次觀測到引力波輻射源的望遠鏡項目負責人，王力帆說自己真正對天文感興趣還是在大學快畢業時。

　　他在母校中科大最初讀的是無線電專業，后來改讀天體物理。

　　20多年前，宇宙學在中國很少有人做，正好霍金來王力帆的學校作有關黑洞理論的報告。

　　當時王力帆聽到的宇宙大爆炸理論、星系形成的理論都還處在初級階段，因為觀測還不夠，很多預言都擺在那里沒有被證實。沒有被證實的假說，加上當時中科大優越的科研環境，最后好奇心與進取心，激發了他研究天文學的興趣。

　　如同汽車給人類生活的改變一樣，王力帆認為，此次引力波事件GW170817也讓天文學家有了新的工具來研究宇宙。

　　“天文學家以后該如何使用望遠鏡都要好好考慮一下。”他說。

天文“淘金熱”如何開始

　　與王力帆同樣興奮的，還有紫金山天文臺高能時域天文團組首席科學家吳雪峰，他專門研究伽馬射線暴，一種在此次雙中子星合并時產生的電磁波之一。

　　“這次，僅在LIGO觀測到引力波信號1.7秒后，美國費米太空望遠鏡就探測到名為GRB170817A的短伽馬射線暴。這是第一次確認中子星碰撞是短伽馬射線暴的一個來源，而這以前只是理論推測。這對我的研究非常重要。”

　　吳雪峰說，此次天文發現證實了宇宙中金、銀、稀土等超重元素是如何生成的。

　　更重要的是，人類從此又多了一種天文觀測方法，未來，人類可以利用電磁波、引力波、中微子、宇宙線等多種觀測手段相結合進行天文研究，“這開啟了一個多信使天文學的時代，就好比人觀察一頭大象，過去我們只能用眼睛去看，現在我們多了觀測手段，可以摸還可以聞，這樣我們描述的大象就會更真實、準確。”

　　已知的電磁波具有波粒二象性，那么傳播速度和電磁波一樣快的引力波是否也會有引力量子呢？吳雪峰向記者解釋，引力波極難監測，它的頻率非常低，因此它主要以波的形式在宇宙中存在。

2019年將有更多數據

　　南極天文中心的朱鎮熹博士是2007年我國首批前往南極“冰穹A”架設望遠鏡的工作人員，整整十年過去了，我國的南極天文科考從無到有，從小到大，朱鎮熹都看在眼里。

　　談到這次AST3-2望遠鏡的表現，朱鎮熹非常自豪地表示：“我國現在已經成為南極科考強國。”

　　“當然，最艱辛的還是去南極科考的一線工作者。”朱鎮熹說，這些年前往南極的科考隊員非常感謝國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心等單位的大力支持。走一趟南極，一來一回就是160天，南極的高寒缺氧環境更是常人難以忍受的。

　　吳雪峰、朱鎮熹均向記者透露，因為衛星通信成本高，傳遞速度慢，AST3-2僅傳回了少量最精華的數據。預計我國科考隊員將會在2019年前往那里，將儲存所有原始數據的硬盤帶回國內，進行更深入的研究。

　　對話中科院紫金山天文臺南極天文中心主任王力帆：

沒中子星合并就沒手機

隨時準備監測黑洞相撞

　　廣州日報：看到LIGO給你發的消息，你當時的感受是什么？

　　王力帆：很興奮，我一開始有點不相信，怎么可能這么快就找到了雙中子星相撞產生的引力波源。宇宙中較強的引力波源產生，往往是雙黑洞相撞、雙中子星相撞或者是黑洞與中子星相撞，未來，越來越多類似的事件會被人類探測到。

引力波與生命起源有關

　　廣州日報：這次觀測最讓你興奮的是什么？引力波是否與生命起源有關？

　　王力帆：有很多。對公眾比較有意義的是引力波本身的探測，以及宇宙中元素產生的過程。它的發現佐證了愛因斯坦關于引力波的理論。

　　宇宙中的貴金屬是怎么來的？目前已經有不少人認為雙中子星相撞是最主要的來源，有人甚至認為是唯一來源。

　　宇宙中的氫、氦、氮、氧等元素的起源已經很清楚了，我們知道這些物質的比例。宇宙大爆炸產生一些元素，恒星燃燒又產生一些元素，但這樣的反應產生到鐵元素就不會再繼續了，因為元素周期表里，鐵原子核的結合能是最低的，照理，宇宙中不可能再產生比鐵更重的元素。

　　以前，我們只是理論上知道，超重元素的產生可能源自中子星的并合，但并沒有觀測到，這次確確實實看到了。這些元素對生命產生很重要，對當下生活也很重要。

　　比如我們用的手機，都含有金子和稀土元素，如果宇宙中沒有中子星并合的過程，這些元素可能都不會產生，人類也不可能進行手機通訊。

將在西藏探測原初引力波

　　廣州日報：除了探測引力波，紫金山天文臺的“悟空號”用來探測宇宙中的暗物質，它的探測方式是如何的？

　　王力帆：暗物質能夠使光線彎曲。“悟空號”是要探測暗物質本身的粒子，暗物質雖基本不與其他物質發生相互作用，我們通常無法測量，但暗物質仍可能帶有很弱的電磁信號，“悟空號”仍可能測量到，我們預計暗物質應該位于能量比較高的區域。

　　廣州日報：當初你決定要讓AST3-2南極巡天望遠鏡觀測此次引力波對應的光學信號，其實也冒著望遠鏡損壞的風險，為何當時如此堅決？

　　王力帆：當時觀測的角度超過了常規的范圍。我就問大家要不要觀測，大家并沒有不同意見，所以就決定試試。經過我們試驗，發現AST3-2確實可以找到引力波源所對應的坐標，就開始觀測了。

　　廣州日報：未來我國是否會研制直接監測引力波的探測儀器？

　　王力帆：要測試引力波，需要非常精密的設備、非常先進的技術。宇宙大爆炸本身會產生引力波，我們稱之為原初引力波。我們準備在西藏阿里地區造一個原初引力波的探測器，它實際是探測十分微弱的電磁信號，由于引力波會引起電磁信號上的一些特征，我們找到這些特征，去間接證明原初引力波。

下次或中子星與黑洞相撞

　　廣州日報：未來的研究方向有哪些？

　　王力帆：現在的關鍵課題是，以后再發現新的引力波源時，我們將如何協調起來配合觀測。最近我們課題組就要開會，討論怎樣面對下一個引力波的突發事件，我們有哪些設備可以用來觀測。宇宙中每一次天體的碰撞結果都不會完全一樣，這次是雙中子星相撞，下次可能是中子星與黑洞相撞，形成一個更大的黑洞，未來有很多未知的發現在里面。天文學是一門觀測科學，它的主要目標是發現新的天文學現象。

　　對于望遠鏡傳回來的光譜數據，我們仍會進一步去探測研究，看中子星相撞到底產生了哪些元素。