人类有史以来第一次从同一事件中同时观测到光和引力波，这是一次发生在1.3亿光年外中子星的碰撞。得益于激光干涉引力波天文台（LIGO）的提前预警，来自地球上除南极洲以外所有大陆的约70个天文台得以同步观测这次合并。基于这次“多信使”事件，数千名科学家正在取得关于中子星行为以及金和铀等元素起源的突破性进展。
当黑洞等质量极大的天体相互碰撞时，它们会释放出足以扭曲时空结构的能量，就像向水池中扔石头会产生涟漪一样。负责监测这些引力波信号的双LIGO探测器（分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿）已经探测到了数次黑洞碰撞，这是一项值得今年诺贝尔奖的成就。最近，意大利的Virgo探测器也开始接收引力波信号。
8月17日，LIGO接收到一个信号，代号为GW170817，这与它之前探测到的任何信号都不同。研究人员在《物理评论快报》上发表了完整结果。虽然黑洞合并只会产生短促的、在有限频率范围内的“啁啾”声，但这次的信号持续了100秒，并覆盖了整个频率范围。科学家们意识到，产生GW170817的物体比黑洞小得多——它们一定是中子星。
什么是中子星？
一颗中子星的质量比我们的太阳稍重，但其质量却被压缩在一个直径不到12英里（比曼哈顿的长度还短）的物体中。由于它们极其致密——一茶匙的中子星物质重约六十亿吨——这些恒星中的物质看起来不像构成地球上所有物质的熟悉的原子。相反，中子星包含着通常在我们原子核中发现的粒子，即密集堆积的（因此得名）中子，并混杂着一些质子。
与黑洞不同，中子星碰撞时会产生壮观的可见景象：理论家曾预测它们会喷射出伽马射线射流，并将发光的物质抛入太空。因此，当LIGO探测到GW170817时，其研究人员立即通知了全球的天文学家开始扫描天空。由于Virgo探测器的存在，他们还可以告知天文台大致的观测方向。到达每个探测器的信号强度和到达时间略有不同，研究人员可以分析这些差异，从而缩小引力波起源的空间范围：一个从地球南半球可见的30平方度的区域。
NASA的费米空间望远镜捕捉到了一次标志性的伽马射线爆发。智利的可见光望远镜捕捉到了合并过程中喷射出的熔融物质射流，使得研究人员能够精确定位中子星碰撞发生的星系：NGC4993。X射线望远镜、射电望远镜、红外和紫外望远镜，甚至南极的某台中微子探测器——几乎所有能够观测南半球的天文台都试图捕捉到这次合并。
哥伦比亚大学天体物理学家布莱恩·梅茨格（Brian Metzger）告诉《Popular Science》：“可能从来没有一次事件被如此多的望远镜如此紧密地监测过。”
如此广泛的天空观测满足了引力波天文学最宝贵的承诺之一：多信使事件。通过引力波、伽马射线和整个电磁波谱观测中子星合并，研究人员已经开始在如何形成中子星以及宇宙中许多元素方面取得突破。随着他们继续分析数据，更多论文将会随之而来。
加州理工学院LIGO实验室执行主任大卫·雷茨（David Reitze）告诉《Popular Science》：“我们才刚刚开始探索引力宇宙。很有可能我们会看到一些意想不到的事情，真正撼动既有科学理论的范式。（雷茨的首要目标是：“恕我直言，证明爱因斯坦错了将是一件大事。我们可能会看到广义相对论大厦的裂缝。这可能为我们如何将广义相对论和量子理论结合到一个超级理论，一个万物理论中提供线索。”）
与此同时，这里是科学家们已经庆祝的一些发现。
首例非黑洞引力波
科学家们对这次事件是首次涉及引力波的多信使事件（即使用多种信号观测到的天文事件）感到兴奋。这种兴奋是当之无愧的；毕竟，这标志着一种新型天文学的开始。但在兴奋之余，不要忘记，这还是首次探测到来自中子星合并的引力波。
这意味着这次碰撞是首次有可能进行多信使观测的引力波事件（黑洞不产生光）。除此之外，它让研究人员对中子星合并发生的频率有了更清晰的认识——相对而言。基于这一发现，LIGO预计每年能探测到1到2次中子星合并，甚至可能每周一次。
解决短伽马射线暴之谜
在碰撞的引力波到达地球后仅两秒钟，NASA的费米空间望远镜就探测到了短促的伽马射线爆发。研究人员在20世纪60年代就开始探测伽马射线暴，虽然理论上认为中子星碰撞可能产生这些信号，但研究人员一直无法证实——直到现在。
西北大学天体物理学家、LIGO科学合作组织成员维姬·卡洛格拉（Vicky Kalogera）告诉《Popular Science》：“只有引力波才能提供证据。在首次探测到伽马射线暴50年后，我们终于找到了这个长期存在的谜团的答案，这让我们感到无比激动。”
从天体物理学的角度来看，更重要的是，这个谜团的答案催生了新的问题。特别是，伽马射线异常微弱，尤其是对于来自相对近距离源的信号而言。
卡洛格拉说：“这是一个短伽马射线暴，但它不是你常见的普通短伽马射线暴。”为了解释其强度不足的原因，研究人员将不得不建立新的模型来解释中子星如何产生伽马射线——并密切关注更多碰撞事件以供研究。
精确定位星系来源
尽管地球在引力波到达后立即就能接收到伽马射线暴，但可见光望远镜却需要等待几个小时。LIGO的分析表明，中子星合并只能从南半球观测到——这意味着那里的望远镜必须等待夜幕降临。
全球各地的研究人员开始与这些望远镜进行沟通，指导它们观测方向并分析它们产生的图像。最后，智利拉斯坎帕纳斯天文台的斯沃普望远镜（Swope telescope）拍摄了一张具有标志性特征的图像。然后，由加州大学圣克鲁兹分校的瑞安·福里（Ryan Foley）领导的团队必须确认这不是一个错误的警报。
福里告诉《Popular Science》：“如果你是一名探险家，试图发现一座新岛屿，你看到了远处的陆地，你想要确保它不是一个半岛或一个已经发现的区域。”
最终，他的团队正式宣布他们已经找到了中子星的家园——NGC4993星系。几分钟后，另一个团队也宣布了他们的发现。事实上，多个团队一直在努力通过可见光望远镜追踪信号，并在几分钟内相继宣布了他们的发现（所有人都同意在NGC4993星系）。
福里说：“整个过程非常令人兴奋，但当时，你没有多少时间坐下来反思。你必须振作精神，专注于手头的任务。”
一旦研究人员知道了这个双星系统的位置，他们就可以了解更多关于它在合并前的情况。例如，NASA的哈勃空间望远镜在几个月前曾观测过这个特定的星系。
卡洛格拉说：“了解该星系的性质使我们能够揭示这个系统的历史。这个双中子星在被合并之前，在自己的星系中经历了一场短暂而精彩的旅程。”
除了星系历史，可见光望远镜还可以记录合并产生的[_spectrum_]（光谱），以及该光谱如何随时间变化。这有助于更清晰地描绘出两个中子星碰撞时到底发生了什么。
碰撞的中子星
像梅茨格这样的理论家预测了中子星碰撞时会发生什么：潮汐力会将恒星的外层物质抛射到太空，而夹在它们之间的物质会过热，然后像挤牙膏一样喷射出来。
这些抛射出的物质既极热又具有极强的放射性。虽然你可能会认为随着物质以每秒零点几倍光速的速度向外膨胀，热量会逐渐消散，但放射性会使温度保持在较高水平。最终，这些物质开始发光，这种现象被称为一次千新星。
可见光望远镜足够早地捕捉到这次合并，从而能够观察到千新星的生长和发展过程。这些观测与理论家的预测非常吻合。
梅茨格说：“这是理论天体物理学的一次胜利。看到大自然揭开面纱，并且这次事件如此类似于我们一直在以一种抽象且缺乏数据的方式进行预测和思考的事情，我感到非常兴奋。”
重元素的起源
这并非唯一的理论胜利。中子星合并不仅会产生光辉。请记住，中子星由中子和质子组成，其中中子数量大约是质子的10倍。当这些物质飞入太空时，它们终于有了空间开始形成原子——特别是像金、铂和铀这样的重元素的原子。
事实上，梅茨格说：“你能够产生元素周期表中大部分的下半部分。”他估计，这次一次中子星碰撞产生了大约100个地球质量的金，几百个地球质量的铂，以及几十个地球质量的铀。
研究人员此前曾预测，铁以上的许多重元素可能是在中子星合并的碰撞中形成的。但这次观测证实，大约一半的这些元素 owes its existence to neutron star collisions（得益于中子星碰撞）。
