"慧眼"望远镜示意图

北京时间2017年10月16日22点, 美国国家科学基金会召开新闻发布会, 宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件(编号GW170817), 国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。我国第一颗空间X射线天文卫星--"慧眼"HXMT望远镜(图1)--在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区, 对其伽玛射线电磁对应体(简称引力波闪)在高能区(MeV, 百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制, 为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献, 相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中^[1]。这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体, 是引力波天文学的极为重要的里程碑, 在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义, 正式开启了多信使引力波天文学时代。除了参与上述历史性的发现论文, "慧眼"望远镜的详细分析结果以独立论文^[2]的形式已于10月16日同步发表在《中国科学: 物理学 力学 天文学》杂志英文版2018年61卷第3期, 通讯作者为中科院高能物理研究所张双南研究员。(http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/doi/10.1007/s11433-017-9107-5)。

图1  "慧眼"望远镜结构图(详细介绍见论文[2])

引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。极端天体物理过程中引力场急剧变化, 产生时空扰动并向外传播, 人们形象地称之为“时空涟漪”。自从2015年9月14日LIGO首先发现双黑洞并合产生的引力波事件(编号GW150914)以来, 已经探测到4例引力波事件, 包括前不久LIGO和Virgo联合探测的GW170814.

引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用, 因此, 人们普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件产生的电磁辐射。本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同, 它由两颗中子星并合产生(图2)。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波, 而且能产生电磁波, 即引力波电磁对应体, 因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现。

图2  双中子星并合过程既能产生引力波, 又能产生电磁波(图片来自网络)

本次LIGO探测到的引力波信号持续百秒左右；引力波信号结束后大约2秒, 美国费米卫星搭载的伽玛暴监测器(GBM)以及欧洲INTEGRAL望远镜搭载的SPI-ACS探测器均探测到一个暗弱的短伽玛暴(编号GRB170817A), 跟引力波事件成协；其后, 光学望远镜发现光学对应体(编号AT2017gfo/SSS17a), 几天后还探测到该引力波源发出的X射线以及射电波段的电磁辐射。

因为该引力波事件具有极为重要的意义, 天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测, 形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。然而, 引力波事件发生时仅有4台X射线和伽玛射线望远镜成功监测到爆发天区, "慧眼"望远镜便是其中之一。

在这些望远镜中, "慧眼"在0.2-5 MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好, 因此对引力波闪(即编号为GRB170817A的伽玛射线暴)的百万电子伏特(MeV)能区的伽玛射线辐射的探测能力最强。虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(40 Mpc, 约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮, 但"慧眼"(以及其它伽玛射线望远镜)在MeV能区没有探测到高能辐射, 说明本次引力波闪非常暗弱, 跟理论预言相差甚远, 具有非常特殊的辐射性质。此外, "慧眼"望远镜凭借强大的探测性能, 对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限(见图3)。

图3  "慧眼"望远镜的探测结果。对本次引力波事件产生的高能电磁对应体, 即编号为GRB170817A的伽马暴, 及其先兆和延展辐射在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束

鉴于"慧眼"观测限制的重要性, "慧眼"望远镜不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文^[1](即发现论文), 而且在论文的正文部分报告了观测结果。该发现论文是关于该引力波事件的同时发表的一系列论文中最核心的领头论文, 已于10月16日正式发表。

除了参与上述历史性的发现论文, "慧眼"望远镜的详细分析结果以独立论文^[2]的形式已于10月16日同步发表在《中国科学: 物理学 力学 天文学》杂志英文版。

值得注意的是, "慧眼"望远镜本来的设计目标是探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体, 研究极端引力场条件下的物理规律。项目组通过对"慧眼"望远镜辅助探测器的创新性使用, 获得了额外的探测伽玛暴及引力波电磁对应体的能力, 使其成为国际上正在运行的最重要的伽玛射线暴监测设备之一, 大大扩展了望远镜的科学产出。

"慧眼"望远镜由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造, 于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空, 开始为期5个月的试运行。中科院高能物理研究所(粒子天体物理重点实验室)负责望远镜观测运行以及数据处理^[3]。参与本次引力波事件观测时, "慧眼"望远镜刚刚试运行2个月。试运行结束后"慧眼"望远镜将开始正式的科学观测, 同时继续监测研究引力波闪。"慧眼"望远镜的科学运行以及引力波电磁对应体的探测研究分别获得了科技部大科学装置前沿研究重点专项以及中国科学院战略性科技先导专项的支持。

在LIGO合作组2016年宣布探测到引力波之后, 发现引力波事件的电磁对应体便成为最重要的天体物理问题之一。在"慧眼"望远镜的技术基础之上, 中国科学院高能物理研究所提出了专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目(GECAM), 并将其命名为“闪电”。“闪电”采用针对性优化设计, 不仅能够同时监测全天随机爆发的引力波闪, 而且具有更低的探测阈值、更高的监测灵敏度以及更好的定位能力, 对引力波闪的综合探测性能远超现有望远镜。此外, “闪电”和"慧眼"望远镜结合, 将形成极大天区极宽波段的覆盖!

在中国科学院前沿科学重点研究计划的支持下, “闪电”项目的关键技术攻关以及方案设计的大部分工作已经完成。如果立即立项, 可以在2020年前发射升空, 从而赶上与最佳灵敏度的LIGO和Virgo等引力波探测器进行联合观测, 获得最大的科学产出, 使我国在引力波电磁对应体的探测研究上达到国际领先水平。

[1] B. P. Abbott et al., Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, Astrophysical Journal Letters, 2017, https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa91c9

[2] Li, T. P., Xiong,S. L., Zhang, S. N., et al., Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817, Science China Physics, Mechanics & Astronomy,61(3), 031011 (2018), doi:10.1007/s11433-017-9107-5, http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/doi/10.1007/s11433-017-9107-5

[3] http://www.hxmt.org

关于南极巡天望远镜的详细报道请见：

来自中子星并合的引力波