對(duì)話引力波背后的中國(guó)面孔：2019年將有更多數(shù)據(jù)

“捕捉”引力波背后的中國(guó)面孔

　　“這是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。”一頭銀發(fā)的中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南極天文中心主任、首席科學(xué)家王力帆興奮之情溢于言表。

　　朱鎮(zhèn)熹

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

　　在這次興奮了整個(gè)人類的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)中，中國(guó)有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡參與了觀測(cè)。其中一個(gè)是南極天文中心設(shè)在南極“冰穹A”上的巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡AST3-2，這是中國(guó)望遠(yuǎn)鏡首次觀測(cè)到引力波的輻射源，標(biāo)志著我國(guó)天文研究步入國(guó)際先進(jìn)。

　　近日，廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者走訪了中科院紫金山天文臺(tái)南極天文中心、南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，解密中國(guó)科學(xué)家們?nèi)绾?ldquo;帶著裝備”加入探測(cè)引力波戰(zhàn)團(tuán)的背后故事。

　　文、圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者武威、王丹陽(yáng)

科學(xué)背景

　　引力波也被稱為“時(shí)空的漣漪”，1916年愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言，劇烈的天體會(huì)帶動(dòng)周圍的時(shí)空一起波動(dòng)。此后百年間，科學(xué)家一直在尋找引力波的存在，直到2015年人類首次探測(cè)到引力波，3名美國(guó)科學(xué)家因此獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

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

　　對(duì)發(fā)現(xiàn)引力波事件GW170817，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南極天文中心主任王力帆將它與哥白尼的日星說(shuō)、開普勒發(fā)現(xiàn)橢圓形軌道、伽利略發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星等過(guò)往天文學(xué)重大發(fā)現(xiàn)相提并論。

好比汽車改變?nèi)祟惖陌l(fā)現(xiàn)

　　直到中午時(shí)分，工作繁忙、身材瘦削的王力帆才出現(xiàn)在記者眼前，他邀請(qǐng)記者去到紫金山天文臺(tái)外的小飯店共進(jìn)午餐。

　　給自己簡(jiǎn)單地點(diǎn)了一碗牛肉面，記者吃的是黑椒牛柳蓋飯。用餐間隙，天文學(xué)家王力帆詳細(xì)解釋了此次引力波事件的來(lái)龍去脈。

　　“這是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。我想，不光是天文學(xué)的標(biāo)志性事件，若干年以后，當(dāng)人們講到我們這個(gè)年代的科技時(shí)，也必然會(huì)提到這個(gè)發(fā)現(xiàn)，不是排第一，就是排第二。”王力帆說(shuō)。

　　“我們處在人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)大爆炸階段，建造創(chuàng)新型社會(huì)是必然的。科技驅(qū)動(dòng)正在讓人類社會(huì)發(fā)生著深刻的變化。”讓王力帆高興的是，中國(guó)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到引力波的社會(huì)效應(yīng)，就是能讓更多普通人越來(lái)越關(guān)心科技發(fā)展。

　　1994年，從中科大博士畢業(yè)，今年是王力帆入行天文學(xué)研究的第23年。說(shuō)起他已灰白的頭發(fā)，他笑說(shuō)與勤奮工作無(wú)關(guān)，“頭發(fā)早就白了，以前還嘗試染過(guò)，現(xiàn)在不想染了。”

　　作為中國(guó)首次觀測(cè)到引力波輻射源的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，王力帆說(shuō)自己真正對(duì)天文感興趣還是在大學(xué)快畢業(yè)時(shí)。

　　他在母校中科大最初讀的是無(wú)線電專業(yè)，后來(lái)改讀天體物理。

　　20多年前，宇宙學(xué)在中國(guó)很少有人做，正好霍金來(lái)王力帆的學(xué)校作有關(guān)黑洞理論的報(bào)告。

　　當(dāng)時(shí)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(jí)階段，因?yàn)橛^測(cè)還不夠，很多預(yù)言都擺在那里沒(méi)有被證實(shí)。沒(méi)有被證實(shí)的假說(shuō)，加上當(dāng)時(shí)中科大優(yōu)越的科研環(huán)境，最后好奇心與進(jìn)取心，激發(fā)了他研究天文學(xué)的興趣。

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

　　“天文學(xué)家以后該如何使用望遠(yuǎn)鏡都要好好考慮一下。”他說(shuō)。

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(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組首席科學(xué)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(shí)產(chǎn)生的電磁波之一。

　　“這次，僅在LIGO觀測(cè)到引力波信號(hào)1.7秒后，美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡就探測(cè)到名為GRB170817A的短伽馬射線暴。這是第一次確認(rèn)中子星碰撞是短伽馬射線暴的一個(gè)來(lái)源，而這以前只是理論推測(cè)。這對(duì)我的研究非常重要。”

　　吳雪峰說(shuō)，此次天文發(fā)現(xiàn)證實(shí)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(cè)方法，未來(lái)，人類可以利用電磁波、引力波、中微子、宇宙線等多種觀測(cè)手段相結(jié)合進(jìn)行天文研究，“這開啟了一個(gè)多信使天文學(xué)的時(shí)代，就好比人觀察一頭大象，過(guò)去我們只能用眼睛去看，現(xiàn)在我們多了觀測(cè)手段，可以摸還可以聞，這樣我們描述的大象就會(huì)更真實(shí)、準(zhǔn)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(huì)有引力量子呢？吳雪峰向記者解釋，引力波極難監(jiān)測(cè)，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(shù)據(jù)

　　南極天文中心的朱鎮(zhèn)熹博士是2007年我國(guó)首批前往南極“冰穹A”架設(shè)望遠(yuǎn)鏡的工作人員，整整十年過(guò)去了，我國(guó)的南極天文科考從無(wú)到有，從小到大，朱鎮(zhèn)熹都看在眼里。

　　談到這次AST3-2望遠(yuǎn)鏡的表現(xiàn)，朱鎮(zhèn)熹非常自豪地表示：“我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)成為南極科考強(qiáng)國(guó)。”

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

　　吳雪峰、朱鎮(zhèn)熹均向記者透露，因?yàn)樾l(wèi)星通信成本高，傳遞速度慢，AST3-2僅傳回了少量最精華的數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)我國(guó)科考隊(duì)員將會(huì)在2019年前往那里，將儲(chǔ)存所有原始數(shù)據(jù)的硬盤帶回國(guó)內(nèi)，進(jìn)行更深入的研究。

　　對(duì)話中科院紫金山天文臺(tái)南極天文中心主任王力帆：

沒(méi)中子星合并就沒(méi)手機(jī)

隨時(shí)準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)黑洞相撞

　　廣州日?qǐng)?bào)：看到LIGO給你發(fā)的消息，你當(dāng)時(shí)的感受是什么？

　　王力帆：很興奮，我一開始有點(diǎn)不相信，怎么可能這么快就找到了雙中子星相撞產(chǎn)生的引力波源。宇宙中較強(qiáng)的引力波源產(chǎn)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(lái)，越來(lái)越多類似的事件會(huì)被人類探測(cè)到。

引力波與生命起源有關(guān)

　　廣州日?qǐng)?bào)：這次觀測(cè)最讓你興奮的是什么？引力波是否與生命起源有關(guān)？

　　王力帆：有很多。對(duì)公眾比較有意義的是引力波本身的探測(cè)，以及宇宙中元素產(chǎn)生的過(guò)程。它的發(fā)現(xiàn)佐證了愛(ài)因斯坦關(guān)于引力波的理論。

　　宇宙中的貴金屬是怎么來(lái)的？目前已經(jīng)有不少人認(rèn)為雙中子星相撞是最主要的來(lái)源，有人甚至認(rèn)為是唯一來(lái)源。

　　宇宙中的氫、氦、氮、氧等元素的起源已經(jīng)很清楚了，我們知道這些物質(zhì)的比例。宇宙大爆炸產(chǎn)生一些元素，恒星燃燒又產(chǎn)生一些元素，但這樣的反應(yīng)產(chǎn)生到鐵元素就不會(huì)再繼續(xù)了，因?yàn)樵刂芷诒砝铮F原子核的結(jié)合能是最低的，照理，宇宙中不可能再產(chǎn)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(chǎn)生可能源自中子星的并合，但并沒(méi)有觀測(cè)到，這次確確實(shí)實(shí)看到了。這些元素對(duì)生命產(chǎn)生很重要，對(duì)當(dāng)下生活也很重要。

　　比如我們用的手機(jī)，都含有金子和稀土元素，如果宇宙中沒(méi)有中子星并合的過(guò)程，這些元素可能都不會(huì)產(chǎn)生，人類也不可能進(jìn)行手機(jī)通訊。

將在西藏探測(cè)原初引力波

　　廣州日?qǐng)?bào)：除了探測(cè)引力波，紫金山天文臺(tái)的“悟空號(hào)”用來(lái)探測(cè)宇宙中的暗物質(zhì)，它的探測(cè)方式是如何的？

　　王力帆：暗物質(zhì)能夠使光線彎曲。“悟空號(hào)”是要探測(cè)暗物質(zhì)本身的粒子，暗物質(zhì)雖基本不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，我們通常無(wú)法測(cè)量，但暗物質(zhì)仍可能帶有很弱的電磁信號(hào)，“悟空號(hào)”仍可能測(cè)量到，我們預(yù)計(jì)暗物質(zhì)應(yīng)該位于能量比較高的區(qū)域。

　　廣州日?qǐng)?bào)：當(dāng)初你決定要讓AST3-2南極巡天望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)此次引力波對(duì)應(yīng)的光學(xué)信號(hào)，其實(shí)也冒著望遠(yuǎn)鏡損壞的風(fēng)險(xiǎn)，為何當(dāng)時(shí)如此堅(jiān)決？

　　王力帆：當(dāng)時(shí)觀測(cè)的角度超過(guò)了常規(guī)的范圍。我就問(wèn)大家要不要觀測(cè)，大家并沒(méi)有不同意見，所以就決定試試。經(jīng)過(guò)我們?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)AST3-2確實(shí)可以找到引力波源所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，就開始觀測(cè)了。

　　廣州日?qǐng)?bào)：未來(lái)我國(guó)是否會(huì)研制直接監(jiān)測(cè)引力波的探測(cè)儀器？

　　王力帆：要測(cè)試引力波，需要非常精密的設(shè)備、非常先進(jìn)的技術(shù)。宇宙大爆炸本身會(huì)產(chǎn)生引力波，我們稱之為原初引力波。我們準(zhǔn)備在西藏阿里地區(qū)造一個(gè)原初引力波的探測(cè)器，它實(shí)際是探測(cè)十分微弱的電磁信號(hào)，由于引力波會(huì)引起電磁信號(hào)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?qǐng)?bào)：未來(lái)的研究方向有哪些？

　　王力帆：現(xiàn)在的關(guān)鍵課題是，以后再發(fā)現(xiàn)新的引力波源時(shí)，我們將如何協(xié)調(diào)起來(lái)配合觀測(cè)。最近我們課題組就要開會(huì)，討論怎樣面對(duì)下一個(gè)引力波的突發(fā)事件，我們有哪些設(shè)備可以用來(lái)觀測(cè)。宇宙中每一次天體的碰撞結(jié)果都不會(huì)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(gè)更大的黑洞，未來(lái)有很多未知的發(fā)現(xiàn)在里面。天文學(xué)是一門觀測(cè)科學(xué)，它的主要目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)新的天文學(xué)現(xiàn)象。

　　對(duì)于望遠(yuǎn)鏡傳回來(lái)的光譜數(shù)據(jù)，我們?nèi)詴?huì)進(jìn)一步去探測(cè)研究，看中子星相撞到底產(chǎn)生了哪些元素。