姓名：高勇 學號：170210120865

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【嵌牛導讀】：我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——慧眼HXMT望遠鏡——在引力波事件發(fā)生時成功監(jiān)測了引力波源所在的天區(qū)，對其伽馬射線電磁對應體（簡稱引力波閃）在高能區(qū)（MeV，百萬電子伏特）的輻射性質給出了嚴格的限制

【嵌牛鼻子】：引力波，慧眼HXMT望遠鏡，中國研究進度

【嵌牛提問】：引力波意味著什么？中國在引力波扮演者什么角色？

【嵌牛正文】：

? ? ? ?北京時間2017年10月16日22點，美國國家科學基金會召開新聞發(fā)布會，宣布激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）于2017年8月17日首次發(fā)現雙中子星并合引力波事件（編號GW170817），國際引力波電磁對應體觀測聯盟發(fā)現該引力波事件的電磁對應體。我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——慧眼HXMT望遠鏡——在引力波事件發(fā)生時成功監(jiān)測了引力波源所在的天區(qū)，對其伽馬射線電磁對應體（簡稱引力波閃）在高能區(qū)（MeV，百萬電子伏特）的輻射性質給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻，相關探測結果發(fā)表在報告此次歷史性發(fā)現的研究論文中[1]。這是人類第一次同時探測到引力波及其電磁對應體，是引力波天文學的極為重要的里程碑，在天文學以及物理學發(fā)展史上具有劃時代的意義，正式開啟了引力波天文學時代。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1： 慧眼望遠鏡示意圖

? ? ? ?引力波是1916年愛因斯坦建立廣義相對論后的預言。極端天體物理過程中引力場急劇變化，產生時空擾動并向外傳播，人們形象地稱之為“時空漣漪”。自從2015年9月14日LIGO首先發(fā)現雙黑洞并合產生的引力波事件（編號GW150914）以來，已經探測到4例引力波事件，包括前不久LIGO和Virgo聯合探測的GW170814.

? ? ? ?引力波的直接探測剛剛獲得了2017年度諾貝爾物理學獎。探測引力波電磁對應體對研究引力波事件、宇宙學以及基礎物理具有不可替代的決定性作用，因此，人們普遍認為引力波研究的下一個里程碑是發(fā)現引力波事件產生的電磁輻射。本次發(fā)現的引力波事件跟以往發(fā)現的雙黑洞并合不同，它由兩顆中子星并合產生。理論預言雙中子星并合不僅能產生引力波，而且能產生電磁波，即引力波電磁對應體，因此本次探測到引力波以及電磁對應體是天文學家期待已久的重大發(fā)現。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2： 雙中子星并合過程既能產生引力波，又能產生電磁波（圖片來自網絡）

? ? ? ?本次LIGO探測到的引力波信號持續(xù)百秒左右；引力波信號結束后大約2秒，美國費米衛(wèi)星搭載的伽馬暴監(jiān)測器（GBM）以及歐洲INTEGRAL望遠鏡搭載的SPI-ACS探測器均探測到一個暗弱的短伽馬暴（編號GRB170817A），跟引力波事件成協；其后，光學望遠鏡發(fā)現光學對應體（編號AT2017gfo/SSS17a），幾天后還探測到該引力波源發(fā)出的X射線以及射電波段的電磁輻射。

? ? ? ?因為該引力波事件具有極為重要的意義，天文學家使用了大量的地面和空間望遠鏡進行觀測，形成了一場天文學歷史上極為罕見的全球規(guī)模的聯合觀測。然而，引力波事件發(fā)生時僅有4臺X射線和伽馬射線望遠鏡成功監(jiān)測到爆發(fā)天區(qū)，慧眼望遠鏡便是其中之一。

? ? ? ? 在這些望遠鏡中，慧眼在0.2-5MeV能區(qū)的探測接收面積最大、時間分辨率最好，因此對引力波閃（即編號為GRB170817A的伽馬射線暴）的百萬電子伏特（MeV）能區(qū)的伽馬射線輻射的探測能力最強。雖然此前人們普遍預計像本次事件這樣近距離（40Mpc，約1.3億光年）的雙中子星并合產生的引力波閃將極為明亮，但本次引力波事件產生的引力波閃出乎意料的暗弱，特別是在MeV能區(qū)的輻射十分微弱，導致沒有望遠鏡（包括慧眼在內）在這個能區(qū)探測到引力波閃?；垩弁h鏡憑借強大的探測性能，對該引力波閃在MeV能區(qū)的輻射性質給出了嚴格的上限。

圖：慧眼望遠鏡的探測結果。對本次引力波事件產生的高能電磁對應體，即編號為GRB170817A的伽馬暴，及其先兆和延展輻射在MeV能區(qū)的輻射性質給出了嚴格的上限約束。

? ? ? ?鑒于慧眼觀測限制的重要性，慧眼望遠鏡不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發(fā)現的論文[1]（即發(fā)現論文），而且在論文的正文部分報告了觀測結果。該發(fā)現論文是關于該引力波事件的同時發(fā)表的一系列論文中最核心的領頭論文，已于10月16日正式發(fā)表。

? ? ? ?除了參與上述歷史性的發(fā)現論文，慧眼望遠鏡的詳細分析結果以獨立論文[2]的形式已于10月16日同步發(fā)表在《中國科學：物理學力學天文學》雜志英文版的網頁版。

? ? ? ?值得注意的是，慧眼望遠鏡本來的設計目標是探測黑洞和中子星等銀河系內的X射線天體，研究極端引力場條件下的物理規(guī)律。項目組通過對慧眼望遠鏡輔助探測器的創(chuàng)新性使用，獲得了額外的探測伽馬暴及引力波電磁對應體的能力，使其成為國際上正在運行的最重要的伽馬射線暴監(jiān)測設備之一，大大擴展了望遠鏡的科學產出。

? ? ? ? 慧眼望遠鏡由國家國防科技工業(yè)局和中國科學院聯合資助建造，于2017年6月15日從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，開始為期5個月的試運行。中科院高能物理研究所（粒子天體物理重點實驗室）負責望遠鏡觀測運行以及數據處理[3]。參與本次引力波事件觀測時，慧眼望遠鏡剛剛試運行2個月。試運行結束后慧眼望遠鏡將開始正式的科學觀測，同時繼續(xù)監(jiān)測研究引力波閃?；垩弁h鏡的科學運行以及引力波電磁對應體的探測研究分別獲得了科技部大科學裝置前沿研究重點專項以及中國科學院戰(zhàn)略性科技先導專項的支持。

? ? ? ? ?在LIGO合作組2016年宣布探測到引力波之后，發(fā)現引力波事件的電磁對應體便成為最重要的天體物理問題之一。在慧眼望遠鏡的技術基礎之上，中國科學院高能物理研究所提出了專門探測引力波閃的引力波高能電磁對應體全天監(jiān)測器項目（GECAM），并將其命名為“閃電”?！伴W電”采用針對性優(yōu)化設計，不僅能夠同時監(jiān)測全天隨機爆發(fā)的引力波閃，而且具有更低的探測閾值、更高的監(jiān)測靈敏度以及更好的定位能力，對引力波閃的綜合探測性能遠超現有望遠鏡。在中國科學院前沿科學重點研究計劃的支持下，“閃電”項目的關鍵技術攻關以及方案設計的大部分工作已經完成。如果立即立項，可以在2020年前發(fā)射升空，從而趕上與升級到最佳靈敏度的LIGO和Virgo等引力波探測器進行聯合觀測，獲得最大的科學產出，屆時再加上慧眼衛(wèi)星已經展示的高能區(qū)天區(qū)覆蓋和靈敏度優(yōu)勢，將使我國在引力波閃的探測研究上達到國際領先水平。

[1]B. P. Abbott et al., Multi-messenger Observationsof a Binary NeutronStar Merger, AstrophysicalJournal Letters, 2017,doi: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

[3] http://www.hxmt.org1

1引力波直接探測

引力波的直接探測非常困難，主要有兩方面原因：

1、引力波本身信號非常微弱

2、由于探測引力波的探測器本身沒有定位能力，依靠到達不同探測器信號的時間差定位對引力波進行定位，所以確定引力波源在宇宙中的具體位置非常困難

美國三位科學家Rainer Weiss（雷納·韋斯）、Kip Thorne（基普·索恩）、Barry Barish（巴里·巴里什）因直接探測到引力波而被授予2017年諾貝爾物理學獎，實至名歸！

目前，全球可直接探測引力波的精密儀器非常少，地面裝置除LIGO外，在意大利和德國也有類似的裝置，這些儀器造價昂貴，為了更好地研究和理解引力波的微弱信號，科學家們同時也在探測引力波對應的電磁輻射（電磁對應體），對引力波電磁對應體的研究意義也堪比引力波信號的直接探測。

2引力波電磁對應體探測

? ? ? ?電磁信號既能夠幫助證認一些微弱的引力波信號、增加發(fā)現引力波事件的能力，也能夠為引力波事件提供前身星、周圍環(huán)境以及宿主星系等重要信息。

? ? ? ?引力波信號為相應電磁對應體提供僅靠電磁信號難以獲取的天體物理信息，比如雙致密星并合的前身星、光度距離和視向角等，引力波和電磁信號聯合分析將為揭示這些現象的物理機制提供全新的手段和視界。

? ? ? ?引力波和電磁信號協同觀測可用以研究若干基礎物理和宇宙學問題，比如：利用引力波信號和電磁信號的時間延遲，測量引力波速度；利用引力波波源作為標準鈴聲（standard?sirens）測量光度距離，利用電磁信號測量紅移，從而獲得全新的宇宙學距離-紅移關系，檢驗宇宙學模型、測量宇宙學常數、研究暗能量和暗物質等。

? ? ? ?雖然引力波剛剛為人類打開了一扇嶄新窗口，但天文學發(fā)展至今，電磁波段是發(fā)展最完善、理論研究最系統(tǒng)和透徹的觀測窗口，也是現有探測手段和設備最豐富的窗口，絕大多數觀測研究都是建立在電磁波的基礎上。