天文學雙子星太陽天文中子星(雙子座天文)

一：全球性望遠鏡見證雙子星合並什麼時間發生同時說明瞭什麼?

距離3位引力波科學工作者捧得2023諾貝爾物理學獎剛剛過去十幾天，一場聲勢浩大又神秘兮兮的發佈會再度招引瞭全球性的目光。在引力波探測已經日常化的今天，是什麼大新聞能惹出這麼大的動靜呢？答案於昨晚揭曉瞭。

北京時間10月16日晚10點，一場長達兩小時的新聞發佈會在華府全國新聞俱樂部（National Press Club）召開，LIGO執行主任大衛·萊茲（David Reitze）宣佈，激光幹涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）於2023年8月17日首次發現瞭一種前所未有的新型引力波事件！！！由兩個質量分別是1、15和1、6個太陽質量的雙中子星並合所產生，依據探測日期確定編號為GW170817，距離我們1、3億光年。此外，在全球性眾多天文學傢及探測設備的協同努力之下，還發現瞭該引力波事件的電磁對應體。

2023年初，大衛·萊茲曾站在這同一個地方，宣佈人類首次探測到瞭引力波——那時候我們說，多信使天文學新紀元即將開啟。在這一次GW170817的探測中，人類首次同時探測到瞭引力波及其電磁對應體，這可以被視作引力波多信使天文學紀元真真正正意義上的開端，在天文學發展史上有著劃時代的重大意義。另一邊，雙中子星合並通常被看作是伽馬射線暴的一類產生源，會產生許多不同的觀測現象，所以綜合引力波、電磁波等多個方式的觀測，我們能夠對中子星這一充滿謎團的天體做出更為詳細的瞭解。

圖1：人類首次探測到雙中子星合並的引力波以及相相應的電磁信號。

圖2：中子星合並產生的引力波和之前黑洞產生的引力波信號持續時間比較圖，此次雙中子星持續瞭大概100秒，這裡隻是展示瞭50多秒。

圖3：可以看出LIGO引力波信號結束的時間和伽瑪暴的開始時間相差瞭大概2秒鐘。

正如我們第1次直接探測到黑洞引力波一樣，此次探測到雙中子星引力波也完全是一個意外，而且來得有點早。此前，科學工作者們依據對雙中子星的瞭解和LIGO探測敏銳度的剖析比較，估計至少要等到aLIGO進一步升級、達到預期敏銳度之後，LIGO/VIRGO才有可能探測到雙中子星合並，差不多至少要等到2023年。人類提前兩年成功探測到雙中子星合並，算得上是一個美滿的驚喜瞭。假如究其理由，除瞭探測到的這一系統距離我們比較近之外，多方面聯合協作是促成此次成功探測的關鍵原因。

1。全球協作，鎖定目標

GW170817的探測過程振奮人心、值得一表，比國際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2023年8月17日，分佈於全球各地的天文學傢們得到瞭一個消息，LIGO和Virgo探測器探測到瞭一個持續時間為100秒左右的新引力波信號，其形式與兩個中子星的並合相一致。在該引力波信號到達後大概1、7秒，NASA費米衛星搭載的伽瑪暴監測器（GBM）和歐洲INTEGRAL望遠鏡搭載的SPI-ACS探測器均探測到瞭一個暗弱的短時標伽馬射線暴，並且將其命名為GRB170817A。因為二者時間和空間的一致性，被看作與引力波事件成協（“成協”指兩種現象是相關的）。

在得知這一消息之後，全球性各地的望遠鏡就開始瞭忙碌的觀測。在未到十一個鐘頭之內，位於智利的Swope超新星巡天（SSS）望遠鏡first of all在星系NGC4993中觀測到瞭明亮的光學源，初步確認為其光學對應體，編號為AT2023gfo/SSS17a。在此之後，其他幾個團隊分別單獨探測到瞭該光學源，從而加以確認。

在接著下面的幾個星期之內，天文學傢動用瞭全地球最為先進的一些望遠鏡，打比方說錢德拉X射線空間望遠鏡（Chandra X-ray Telescope），哈勃空間望遠鏡，位於智利、口徑達到8、4米的甚大望遠鏡（Very Large Telescope），還有亞毫米波段敏銳度最高的阿塔卡馬大型毫米波陣ALMA等等，對該區域開展瞭緊鑼密鼓的觀測。這幾個觀測對這一災變性事件提供瞭從並合前約100秒到並合後數星期的全面描述，最終證實瞭科學工作者的許多猜想：NGC4993星系中的兩個中子星並合，產生瞭引力波、短伽瑪暴暴和千新星。

圖4：（左）歐南臺幾個不同望遠鏡看見引力波源相應的光學圖像。（右）哈勃望遠鏡在不同時間觀測到的圖像。

此次探測堪稱全球協作的一次完美展現，然而，就好像大衛·萊茲在發佈會上所說，NASA費米衛星伽瑪暴信號的探測使得此次LIGO探測大放光彩。盡管引力波信號先於伽馬射線信號產生，但有意思的是，NASA費米衛星發送的探測信號要早於LIGO團隊的信號。原因就是，NASA費米衛星的伽瑪暴監視器在探測到伽瑪暴信號GRB170817A之後，自動向GCN系統發送瞭相關警報。不過，LIGO的自動數據剖析就耗時約6分鐘——科學工作者們先是在LIGO漢福德觀測站幾乎同一時刻的數據中，找到瞭一個引力波事件候選體GW170817，發現此引力波早於GRB170817A兩秒發生，LIGO-Virgo快速響應團隊隨後手動檢查瞭數據，才向其簽訂合作協議的組織發佈瞭警報。之後，科學工作者又進一步在歐洲INTEGRAL衛星的觀測數據中確認瞭伽瑪暴信號的存在。本來淡而無味的伽瑪暴信號，由於與一個非常強的引力波候選體同時存在，一下子挑起瞭整個天文界的觀測興趣，此天區也成瞭一個熱門的觀測對象。

在9月底的第4次引力波發佈會上，姍姍來遲的VIRGO已使得LIGO探測器的空間定位范圍從1160平方度收縮到100平方度，二者協同合作，將空間位置的精確性飛速增加。假如進一步利用貝葉斯統計方法對所有可能參數進行估算，空間定位將進一步縮減至60平方度。這樣一來，空間定位就足足提高瞭將近20倍。在這次的雙中子星事件中，三個探測器最終將產生源定位於一個28平方度的范疇之內。正因空間定位準確性大大提高，電磁波段所探測到的空間確認才變成瞭可能。

圖5：目前探測到的5次引力波空間定位比較圖，黃色是最新的引力波GW170817確定的引力波源所在的區域。

聯合觀測的另一個重要意義是快速反應。不管是費米觀測到的伽瑪暴，還是LIGO/VIRGO看見的引力波，持續時間都非常短暫，所以需要其它天文臺和觀測者立即對於可能區域進行後續的追蹤觀測，還得需要某個系統即時通知可能的具體位置信息。

對於伽瑪暴來講，在上世紀末BeppoSAX衛星在軌工作期間，互聯網已經興起，NASA建立瞭一個伽瑪射線暴協調互聯網（Gamma-ray Coordinates Network， GCN）的郵件系統；一旦某個衛星探測到伽瑪暴信號，將會以最快速度把伽瑪暴的具體位置信息發送到此系統中，凡是訂閱瞭該郵件系統的人皆能夠即時收到建議，以便開展可能的觀測。此次費米觀測正所謂利用此系統，將觀測信息以最快的速度通知給瞭全球的許多組織，隨後才有眾多望遠鏡紛紛加入觀測。誠然，對於LIGO/VIRGO組織來講，為瞭保證其可能的後續觀測，他們與全球近70個觀測組織（中國有將近10個組織）簽訂瞭備忘錄合同，一旦引力波信號被探測到，也需要經過其專有的渠道傳遞有關信息。

2。比雙黑洞合並更美的雙中子星合並

正如發佈會提到的，這次探測到的引力波是由雙中子星合並而產生，之前公佈的4例引力波事件都是由雙黑洞所產生。二者之間最大的差異就在於，雙中子星合並會產生電磁波輻射，而對於黑洞來講，我們通常認為不會產生，這一點也獲得瞭觀測上的驗證。

是哪些原因致使瞭此種差異呢？通常來講，依照天體物理輻射的論理要求，要產生電磁輻射，天體周圍務 必要有氣體的存在。對於黑洞系統來講，盡管在最初產生時，黑洞周圍也許有許多氣體，然而在漫長的演變過程當中，假如沒有更加的多氣體來源的話，在黑洞合並的最後階段，氣體已消耗完畢，所以無法產生電磁輻射，隻能產生擾動時空的引力波——就好像科學工作者前4次探測到的那樣。

在雙中子星合並之前，周圍的氣體非常可能也已消耗完畢。不過，合並過程當中會有部分物質以接近光速或遠低於光速的速度被拋射出去，從而產生我們看見的各式電磁現象——短時標伽馬射線暴（簡稱伽瑪暴）、伽瑪暴餘輝和千新星。接近光速運動的物質產生瞭費米衛星看見的伽瑪暴，而低速運動的物質產生瞭千新星，被許多的光學/紅外望遠鏡捕捉到。

等等，短時標伽馬射線暴、伽瑪暴餘輝和千新星都是什麼？使俺們一一說來。

簡單來說，伽瑪暴是天空中某一個方向伽馬射線輻射突然增亮的現象，可謂是宇宙間自大爆炸之後最為劇烈的天體爆發現象。20世紀90年代初，康普頓伽馬射線天文臺在觀測到上千個伽瑪暴之後做瞭一個簡單統計，依照它們持續時間的長短分為兩大類：一類是爆發時間長於2秒的長時標伽瑪暴，另一類是爆發時標短於2秒的短時標伽瑪暴。後經進一步鉆研發現，這兩種伽瑪暴的產生起源截然不同。

依據當前的理解，不管是大質量恒星坍縮形成的長時標伽瑪暴，還是雙致密星產生的短時標伽瑪暴，盡管中心天體會有差異（或者是黑洞，或者是轉動極快的磁星），伽瑪暴的產生機制以及後來的演化皆可以用一個被叫作“火球”模型（fireball model）的論理來解釋。在這個理論中，中心天體會在一些時日內，產生相對持續的極端相對論噴流，這就象征著，這幾個噴出物質會以接近光速速度，沿著天體的轉軸方向向外運動。由於噴射出去的物質之間存在著速度上的微小差異，致使它們彼此發生碰撞，將自己一身運動的動能轉化為氣體粒子的熱能，而後在磁場作用下產生我們所看見的高能輻射，亦即早期的伽馬射線，這就很好地解釋瞭我們所看見的伽瑪暴。大質量恒星產生的噴流時間長，雙中子星合並產生的噴流時間短，從而致使瞭我們觀測上的差異。

這幾個星體周圍存在著星際氣體介質，噴流物質在停止互相碰撞之後會繼續向外運動，與周圍的氣體介質發生互相作用，把自己一身運動的能量傳遞給周圍的星際氣體，星際氣體被加熱從而產生較強的輻射，這便是經常提到的伽瑪暴餘輝。它的能譜（energy spectrum）波段會從X射線一直延伸到射電波段。在某種程度上，餘輝的強弱與周圍星際氣體的密度相關，密度更高，餘輝也就更亮。

此次與引力波相關的伽瑪暴屬於短時標伽瑪暴，由於費米衛星觀測到的爆發時標為0。7秒。除瞭這些以外，不管是引力波的結果還是電磁波的觀測擬合最終，也都和雙中子星合並的預期相一致。例如，引力波波形的擬合告知瞭我們中子星的質量，與中子星的質量范圍一致。

在雙中子星合並的過程當中，有大概1/1000到1/100左右太陽質量的物質沿各個方向被拋射出去，形狀近似於一個球體。這幾個拋射出去的物質通過快中子俘獲過程產生大量的重元素。這幾個元素很不穩定，能夠快速衰變，產生輻射加熱拋射物，從而使其發出明亮的可見光以及近紅外輻射，其亮度通常會達到千倍的新星級別，故被叫作“千新星”。由於這個千新星距離地球很近，所以非常明亮，是之前探測到的短時標伽瑪暴距離的十分之一。

圖6：雙中子星旋近，最終合並產生千新星的過程。

由於產生引力波的天體截然不同，因此我們觀測到的引力波形會存在較大差異。中子星的質量相較於黑洞要小許多，合並過程中對於時空的擾動變形程度更弱，因 此，在目前探測器敏銳度確定的情形下，我們隻可能探測到比較臨近的引力波信號。這次的引力波源距離我們1、3億光年，是目前探測到的所有引力波源中近日的一例。通過波形的擬合，科學工作者們確定瞭兩個中子星的質量分別大概是1、15和1、6個太陽質量，合並後的天體質量約為2、74個太陽質量，拋射出去的僅有0。01個太陽質量。

3。已解之惑與未解之謎

此前，不管是對於中子星本身，還是雙中子星合並產生的伽瑪暴，我們還有許多的疑難問題有待解答。雙中子星合並之後，產生的是轉速更快的中子星還是黑洞？有多少物質會在爆發中被拋射出去？噴流的機制和噴流的夾角是如何的？我們都還不可以確定。

此外，到目前為止，科學工作者對於中子星內部的組成和結構仍不是特別清楚。而當兩個中子星相互靠近但未合並之時，兩個中子星會被相互彼此的潮汐力拉扯嚴重變形，從而最終作用與影響旋近的速度，也會作用與影響產生的引力波波形。因 此，科學工作者們希望，引力波和電磁波的聯合觀測能夠對如此問題提供一部分貴重的答案。

遺憾的是，受限於目前引力波探測設備的敏銳度，引力波信號曲線並不是很好，因此對於有關內部結構的問題並沒有得到解答。不過，對於部分合並之後拋出瞭多少物質的問題，我們經過努力已經初步有瞭答案。值得驕傲的是，這一答案是由一部參與觀測的中國望遠鏡給出的。（答案後文馬上揭曉）

雙中子星合並之後是產生瞭中子星，還是產生瞭黑洞？此刻依然無法確定。由於通過引力波波形的擬合，合並後的質量約為2、74太陽質量。從按道理來講說，假如一個天體的質量超過3個太陽質量，通常會被看作是黑洞。而中子星的最大允許值並不明確，假如中子星的內部由中子構成，綜合考慮狀態方程和轉速，如果想達到2、74個太陽質量不太可能。然而假如內部由其他別的奇異物質（打比方說誇克）構成的話，在一定條件下，這個質量的天體就有一定可能性，此時這一天體應該被叫作“誇克星”。然而，目前所有觀測都沒能給出中子星和黑洞的臨界質量，當然也沒能給出誇克星存在的證據。從觀測的角度來講，我們觀測到的最重的中子星大概是2個太陽質量，最小質量的黑洞質量是5個太陽質量；在這兩者之間，一片空白，還未發現任何致密天體的質量屬於這個范圍。因 此，對於此次雙中子星合並產生的2、74個太陽質量的天體，盡管我們還不可以確定它究竟是什麼，不過這一發現填補瞭黑洞和中子星之間的空白，為日後更加的多的天文發現掀起瞭帷幕的一角。

圖7：目前所探測到的黑洞和中子星質量分佈圖，可以看見兩者之間存在一個很大的空白，此次探測是第1個填進此空白區域的天體。

盡管科學工作者們沒有看見中子星內部信息，也不曉得最後的合並物是什麼，但眾多後續電磁觀測還是告知我們瞭一些之前不太確定的信息，打比方說甚大望遠鏡（VLT）的光譜觀測確認瞭重金屬（打比方說我們熟知的金銀等元素）的來歷起源，大都就是在中子星合並的過程當中產生的。

圖8：元素起源表。黃色代表著並合中子星所產生的元素，我們常常見到的金銀就是通過瞭這過程產生的。

之前科學工作者曾在短時標伽瑪暴中探測到瞭3起疑似千新星事例，但不過呢是在餘輝的光變曲線當中看見瞭幾個數據點而已。由於此次因為距離很近，而且伽瑪暴餘輝很弱，所以完全確認瞭千新星的存在。另外，經過對於其光變曲線演化的擬合可以推斷，大概有百分之一的物質在合並過程中被拋射出去。

除瞭這些以外，電磁信號和引力波信號的結合對於天文學理論本身有何促進意義呢？一方面，科學工作者可Yi經過這兩個信號到達的時間差，來檢驗愛因斯坦的弱等效原理，這是愛因斯坦廣義相對論與其他引力理論的基石，愛因斯坦的論理再一次通過瞭檢驗。

另外，引力波信號和電磁信號相結合，可以對宇宙學的一些最基本參數做出限制，打比方說用以描述宇宙膨脹快慢的哈勃常數。通過引力波的振幅比對可以推斷出系統到我們的光度距離，通過電磁波段的光譜剖析，我們便可以知道這一系統的紅移；在給定兩者的情形之下，我們便能夠精密推算出哈勃常數的數值瞭：

相較於來自普朗克衛星的數值：

很明顯，引力波給出的數值誤差很大。但可以預見的是，隨著探測精度的提高（除LIGO/VIRGO之外，日本臂長為3公裡KAGRA探測器也開始測試，LIGO-India以及許多的第3代引力波探測器在計劃之中）以及探測到的引力波源數目的增多，這個誤差很快將得到改進。

此次引力波現象發生在南天的長蛇座，北天的望遠鏡非常難看見，所以咱們國傢的大都望遠鏡沒能進行觀測，打比方說剛剛建成的FAST以及許多光學望遠鏡（雲南麗江的2、4米望遠鏡和國傢天文臺興隆觀測站的2、16米光學望遠鏡等）。

但是幸運的是，中國有兩臺望遠鏡參與瞭此次觀測，一個是位於南極Dome A的50厘米的南極光學巡天望遠鏡（AST3），項目的負責人是紫金山天文臺的王力帆研究員。在引力波源信息發佈的約一天後，AST3望遠鏡開展瞭對於這個目標源的觀測。而那個時候南極的冬天也剛剛過去，目標天體的地平高度較低，受於太陽的限制，每一天差不多有二個鐘頭左右的觀測時間。此望遠鏡最終進行瞭10天的觀測，最終獲得瞭目標天體的光變曲線，與巨新星理論預測推算高度吻合。

另外一個參與觀測的是硬X射線調制空間望遠鏡（也叫作慧眼）。在觀測消息發佈時，事件剛好在其觀測范圍之內，但是很遺憾的是，盡管慧眼是此能段內敏銳度最高的觀測設備，不過未可以在0。2-5 MeV的能段內探測到任何電磁信號，這非常可能與此伽瑪暴並 不是完全正對俺們有關。

這是人類歷史上第1次同時探測到引力波及其電磁對應體，將成為引力波天文學上另外一個十分重要的裡程碑。此次探測為俺們解答瞭一些疑惑，並且也提出瞭更加的多問題，與歷史上所有天文發現一樣，是人類好奇心的勝利與新起點。在多信使引力波天文學時代的帷幕由此拉開之後，我們相信，在人類團結協作的力量之下，更加的多的宇宙奧妙秘訣將被一一揭曉。

二：流星雨這種天文現象是怎樣形成的?是怎樣起源的?

使俺們從時尚開始。在咱們國傢古時候，有許多關於流星的記錄載入，它們有許多有意思的名字，打比方說 "奔流"，等等。假如你想觀察它們，最好就是在午夜和清晨之間觀察，而且秋天比春天更加容易觀察它們。當他闖入地球大氣層時能產生實用的空氣摩擦流星，有時候出現的零星流星，一般被天文學傢稱為，零星流星，零星流星完全是隨機的，一個一般人在晚上能看見的零星流星大概有一二十年，一顆流星闖入地球大氣層時發出一克燃燒的光芒。

人們在1827年觀察到瞭一顆叫貝拉的彗星，這是一顆，零星的流星，六年零九個月之後，人們發現這顆流星，沿著地球的軌道準時再次出現，在1846年，當這顆彗星再次出現的時刻，人們發現它，已經成為一顆，雙子星，這是為啥？科學工作者們剖析後認為，這顆彗星離太陽很近，它被太陽的引力拉成瞭兩半，一股巨大無比的精神力量把兩顆彗星撕成瞭碎片，這顆雙胞胎彗星神秘地消失瞭，要麼飄向太空，要麼作為流星落在其他地方。

很多流星看似是從天空中一個被叫作輻射點的地方向外散開的，不過流星的行進方向與地球大體平行。輻射點是一個視覺角度。流星雨的成因是遇見瞭地球上流行的流星群，一般我們認為流星群是由周期性的彗星變成物質或由彗核解體形成的，所以流星群和它的母彗星有大體一樣的軌道，因為流星的軌道是固定的，所以地球周期性地穿過流星，形成固定的一個流星雨，例如，天琴座流星雨在四月，雙子座流星雨在十二月等等。

在過去，天琴座流星雨曾出現過流星爆發。此外，歷史上最大的流星暴是由獅子座流星雨的流星返回引起的，並伴隨著母彗星。近幾年來，雙子座流星雨也因木星的引力而得到加強，為地球上的生命創造瞭美麗的天文奇觀。

三：月球的個頭那麼大?為啥和地球不是雙子星而是衛星?

你可以從質量方面考慮，冥王星之特點在於它和卡戎互相繞轉時，系統重心(旋轉中心)在冥王星之外，明顯看出是互相繞轉；

而地球的情形，固然地球亦有圍繞地月系的重心旋轉，但因為系統重心在地表以下，看似地球隻是在擺動而已，而月球繞重心的公轉明顯太多，所以大都人都願意將這個稱為月球繞地球公轉，即月球是衛星。

四：何謂雙子星?

1。物理學上是指兩顆質量極為接近的星體，因為它們的萬有引力十分接近，所以彼此招引對方，相互繞著對方旋轉不分離。

現代文學中，通常把十分默契的、形影不離的、羈絆很深的夥伴稱作雙子星。打比方說NBA曾經的凱爾特人隊擁有兩大球星安東尼·沃克和保羅·皮爾斯，他們二個人就被稱作是“凱爾特人雙子星”。

2。天文學”雙星“概述：

（一）“雙星”在天文學上指兩顆相互環繞運行的恒星。但有時兩顆同一視線上的恒星看上去在一起，事實上相距很遠，稱為“光學雙星”。

組成雙星的兩顆恒星中較亮的一顆稱為主星，較暗的一顆稱為伴星。

有的雙星在互相繞轉時，會發生類似日食的現象，從而使這類雙星的亮度周期性地變化。如此的雙星稱為食雙星或食變星。

在銀河系中半數以上的恒星都是雙星體，其中包括著名的第1亮星天狼星。 天狼星主星天狼A的質量為2、3個太陽質量，其伴星天狼B是一顆質量僅為0。98個太陽質量的白矮星。

（二）“雙子座”是著名的“黃道十二星座”中的一個。向東北方向延長獵戶座β星和α星的連線，可以碰到兩顆相距不遠的亮星，其中亮一些的是雙子座β星（中國古代稱其為“北河三”），亮度為1、14等，是全天第十七亮星；稍微暗點兒的是雙子座α星（中國古代叫它“北河二”），亮度為1、97等。在古希臘神話傳說中它們被想象成友愛的兩兄弟——卡斯托和普爾尤克斯。

其實也就是說精確地說，這兩顆星事實上均是各自由六顆星組成的“星”。

五：雙子星在音樂中之寓意是什麼

雙子星在音樂中之寓意是愛情。雙子星象給人一個大大的擁抱，愛情中的歡快被無限的放大，如同被吹散的幸福泡泡，將太陽的光輝折射成五顏六色，灑在生活的每某處角落，如夢如幻。加上歌曲中有時候出現的搞怪唱法，更是使人不禁會心一笑，恍然大悟，原來這便是愛情中的快樂，隨夢指引愛的方向，不管束、不禁錮，給愛一個溫暖的春天。所以雙子星在音樂中之寓意是愛情。

六：何謂雙子星

物理學上是指兩顆質量極為接近的星體，因為它們的萬有引力十分接近，所以彼此招引對方，相互繞著對方旋轉不分離。成為雙子星。在平時生活中指親密無間，合作優秀的搭檔角色。

體育

在體育比賽中(通常是球類運動)，在同一支隊伍中有兩名特別優秀的球員，這兩名球員被叫作雙子星，比喻兩人缺一不可，更展現出球類運動的合作精神。比較著名的被叫作雙子星的打比方說NBA俄克拉荷馬雷霆隊的凱文杜蘭特和維斯佈魯克，08年掘金隊的安東尼和艾佛森，尤文圖斯隊曾經的因紮吉和皮耶羅，米蘭隊曾經的舍普琴科和卡卡，曾經利物浦隊的傑拉德和歐文，曾經曼聯隊的魯尼和C羅等，皇傢馬德裡的勞爾和莫倫特斯。

望采納