听见和看见相撞的中子星：GW170817
听见和看见相撞的中子星：GW170817
2017年8月17日，LIGO探测到引力波。
2016年2月12日，纽约时报上关于第一起引力波的报道。
人类探测到引力波不是第一次了。第一次是大新闻，2015年9月14号发现的“GW150914”，爱因斯坦预测广义相对论后一百年终于得到证实。另注，引力波的发现都是用日期命名。（不过，如果碰到一天好几次怎么办？）
第二次LVT151012因为信号比较弱，就没有正式命名。第三次是同一年的圣诞节，GW151226，被称为爱因斯坦送给我们的圣诞礼物。这两次的意义同样深远，告诉了我们第一次不是意外–––引力波是以后会系统性、经常发生的事情。
我能记住的就只有这三次了。大部分人和我一样，后来就没怎么关注了。今天翻了一下记录，才发现今年一月和八月又有两次黑洞合并的引力波。完全都没注意到。
人类就是这么容易厌倦的动物：几年前有一次坐飞机，飞到半空我发现居然有网络，惊讶得合不上嘴，为人类科技感到无比骄傲；两周后坐飞机再用空中网络，不仅已经没了新鲜感，还因为看视频太卡而满肚子怨气。
目前LIGO探测到的六例引力波（或者5.5例，因为LVT那个不全算）。今天的重点是GW170817。线条圈出来的是它们在天空中的大概位置。
这次的引力波不同寻常，以前探测到的都是双黑洞合并。这次是双中子星合并。
写到这里，我能感到爸妈同学和非物理系的观众们开始走神。请大家不要自暴自弃、关闭文章、打开淘宝。你读得辛苦，我写得也很辛苦。你也许会问，我们为什么要这样互相折磨。我的答案是，人类的今天不是通过舒舒服服地躺在床上实现的。为了人类的进步，我们必须咬牙坚持下去。
首先，请允许我迅速解释几个关键名词：黑洞，中子星，引力波，LIGO。对于不懂的东西，我总是请友人们用不超过三句话为我解释（因为对长篇大论没耐心。。），今天，我也自己尝试这么做：
黑洞：当一坨物质被压缩到非常非常小的空间时，它的引力如此之巨大，连光线（宇宙中运行速度最快之物体）都无法逃逸。从外部看来就是黑黑的一坨、不会发光。巨大的恒星（大于约30个太阳的质量）死亡后就会变成黑洞。
黑洞的假想图。Alain Riazuelo of the French National Research Agency, Wikipedia
中子星（由一堆中子构成的星星）：和黑洞差不多，也来自于恒星死亡，但是前身是更小一些的恒星（约10－30个太阳质量），所以没有压缩得那么严重，而且也会发光。把整个太阳（33万倍地球质量）压缩成北京二环那么大，就差不多是中子星的密度了。
银河系的蟹状星云，中间是一个中子星。NASA/CXC/ASU/J. Hester et al
引力波：爱因斯坦的广义相对论中，物质会让时空扭曲。当两个高密度物体（例如黑洞或者中子星）迅速合并时，时空会突然产生波动，就好像扔一块石头进宁静的湖里。引力波以光速向外扩展，到达地球时可以被LIGO探测到。
引力波示意图。散出去的那些不是光，而是引力波。NASA
LIGO（激光干涉引力波天文台）：由美国的两组引力波探测器组成，最近加入了新的引力波探测器，位于意大利的Virgo。探测器都是L形状，通过测量两个长臂中空间的骤然伸缩而探测引力波。
位于美国的两个LIGO探测器和位于意大利的Virgo探测器地点，蓝色的小点是参与了追踪观测的光学望远镜。
LIGO Hanford
LIGO Livingston
Virgo
图示引力波探测器的原理。没有引力波时，两个臂的长度一样，没有信号。当引力波经过地球时，一条臂变长，另一条变短，产生激光干涉信号。
回到前面–––这次的引力波不同寻常，以前探测到的都是双黑洞合并。这次是双中子星合并。黑洞合并虽然令人兴奋，但是因为黑洞不发光，所以我们无法用其它波段的望远镜去追踪观测，除了引力波就无法了解更多。
中子星合并时会释放大量的能量，瞬间在黑暗的宇宙中点起一盏小蜡烛。各种波段的望远镜都可以看到，伽马射线、紫外、可见光、红外、射电……所以这次的发现根本没法藏。
第一次LIGO探测到黑洞时，从收到探测信号到新闻发布会相隔五个月（五个月之久是因为科学家们都不敢相信自己的眼睛，所以花了很长时间做认真分析），之间除了非常紧密的合作者，几乎没人知道。那时哥大天文系楼下就有LIGO组员，我听到风声跑去证实时，他们每个人嘴严得跟缝了线似的。我讨得没趣只能乖乖等新闻发布会。
这次中子星就完全不一样了，新闻发布会像是走个过场，因为之前大家都已经有小道消息了。地上和天上的众多望远镜已经看到了那颗中子星。
左边是哈勃望远镜在LIGO信号前的旧观测图，右边是LIGO探测到信号后，Swope和Magellan望远镜发现中子星的观测图。红色箭头指出双子星的位置（在左图还没有出现）。
12月5号，芝加哥大学的Dan Holz来普林斯顿做报告。之前本来安排的是另一位报告者，但临时取消了。Dan那时正好在东岸，就欣然同意过来一趟。他是LIGO的科学家，直接参与了这次双中子星相撞的探测和数据分析。
Dan Holz
8月17号，Dan刚结束在香港的行程，坐上了回美国的飞机。在13小时的航班期间，LIGO组员们看到引力波信号，并确认和双中子星合并的预期信号吻合。随后，Fermi太空望远镜在引力波信号后的1.74秒探测到伽玛暴。
他下飞机时学生们已经急疯了，“老大你怎么还不回邮件！你回邮件时最好告诉我：你正在亚洲忙着抢劫望远镜来观测GW170817！”
LIGO/Virgo团队马上投入信号分析。当时地球上的三个引力波探测器都运行良好。一般来说，不出意外的话，三个探测器都能先后收到同样的信号，然后用时间差来给信号方向定位。时间差来自于引力波从一个地点传播到另一个地点所需的时间。
Hanford的信号不错，很干净，用眼都能直接看到（横坐标是时间，纵坐标是频率）。信号是上图里靠右的那个往上扬的细条条。
但到了Livingston就情况不妙了，其实是根本就没有探测到。但是因为Hanford信号太好了，LIGO的组员就跑去把Livingston同一时段的数据截出来，才明白怎么回事。
这就是Livingston的信号了。肉眼能看到信号，但在信号最重要的时候，突然仪器出故障了，留下了大剌剌一个黄色宝塔（哭晕），自动分析软件就没辨别出来。
在做天文数据分析时，这种情况我们一般就说算了吧，不知道咋整只能扔了。可这次是人类历史上重大发现，不能随便扔。组员只能艰难地重新写一个程序，半琢磨半猜地把信号给挖了出来。
但是到第三个探测器Virgo的时候，就已经不止是哭晕了。信号连个影都没。我对此的第一反应是：Virgo是意大利人造的，不靠谱吧。在意大利的实验室，总会看到当地人每天都用大量工作时间来闲聊、喝咖啡、打桌上足球…等等。但Dan马上就否定了，说几天前Virgo还探测到了一起引力波，说明人家没坏。
后来，LIGO/Virgo科学家们意外地因祸得福，正式因为Virgo没有探测到，他们反而更加确定了引力波在天空中的地址。
这个要从引力波探测原理讲起（我自己还没完全学懂，纯转述Dan的描述…）：
ESA
首先，引力波是这样传播的。
所以，如果引力波是垂直于探测器的平面而来（图A），那么就很容易被探测到。如果是和L形状平行而来（图B），就几乎探测不到。thephysicsmill
从Virgo的地理位置和朝向，我们可以在天空中画出几个圈，是Virgo的“盲点”，中子星可能就落在盲点里了。利用这个盲点信息，科学家们从一个巨大的长条（190平方度）缩小了近七倍（28平方度）。这个让众多光学望远镜在极短的时间内就锁定了正确的方向。
这次案例充分说明，有时没有消息就是好消息。
在LIGO和Virgo探测到引力波信号，并成功确认天空方向后，地面和太空中众多的望远镜做了追踪观测。我算不过来有多少望远镜参与了这个项目，就直接截屏贴过来：
APJL 2017，https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa91c9
我对于这次的双中子星合并仍然有很多疑惑：双中子星从一开始是怎么形成的？是双星系统中的两个恒星分别死亡后，变成了双中子星，还是两颗独立的中子星在宇宙中无意碰到然后纠缠在了一起？之后的光学观测，为啥短波段的先出现，长波段的后出现（mark去读arxiv:1710.05433）？kilonova究竟是咋回事？在这里记下来以后有空去查资料。如果读者中正好有中子星/引力波专家可以直接给我解释，我也将非常感激。
最后，是这次中子星合并的信号的视频。前面五个是之前的黑洞合并信号。最下面一个是中子星的合并。视频一分钟，不是很长（但是比起现代人的注意力有点长…）。你会看到，中子星和黑洞真的很不一样。
请一定要耐心听到最后。来源http://www.eso.org/public/videos/eso1733j/
在视频的最后几秒，你会听到中子星合并发出的“声音”。
我每次听，都忍不住噗嗤一笑–––真的是好调皮呢。
［完］