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三十多年前的1981年5月6日，兩位大物理學家，加州理工學院的Kip Thorne 和普林斯頓大學的Jeremiah Ostriker（做過普林斯頓教務長，曾榮獲美國國家科學獎章）立下一個有趣的賭約：
盡管Jeremiah Ostriker和Kip Thorne都堅信愛因斯坦方程的有效性
而且兩人都堅信這些方程預言引力波的存在
而且兩人都堅信大自然會提供物理規(guī)律所預言的現(xiàn)象
而且兩人都堅信科學家能夠最終探測到大自然所提供的任何現(xiàn)象
但是他們對大自然信號源的強度以及近期可驗證探測的可能性存在分歧
因此兩人立下此注，賭一箱好紅酒。如果人類在2000年1月1日前探測到引力波，則Ostriker輸給Thorne一箱法國紅酒。反之，Thorne則輸給Ostriker一箱加州紅酒。
Jeremiah Ostriker
結(jié)果如何呢？ LIGO雖然最終探測到引力波，而且Thorne剛剛也榮獲了諾貝爾獎，可是這一切都晚了15年！2000年，Thorne不得不簽字畫押認輸，有文末照片為證。
Barry Barish 與 Kip Thorne在加州理工校園
這個賭約是如此Inspring! 如果我們也堅信愛因斯坦方程的有效性，堅信大自然會提供物理規(guī)律所預言的現(xiàn)象，堅信科學家能夠最終探測到大自然所提供的任何現(xiàn)象，那么下一場可能的豪賭會是什么呢？天文學家把眼光投向了對引力波源電磁對應體的搜尋 --人類到底能不能找到引力波源電磁對應體？或者更準確的說，人類究竟什么時候才能找到引力波源電磁對應體？
隨著眾望所歸的引力波物理諾獎的頒發(fā)，高頻引力波研究正大刀闊斧地開創(chuàng)著引力波天文學的新天地。大家都說引力波天文學時代已經(jīng)開始，傳說中的引力波新信號也是除了LVC之外人盡皆知的公開秘密。人人都想趕上這新時代，但是引力波天文學的新天地里，又會有怎樣的絢麗風景呢？知社特約國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域一線年輕學者撰寫了幾個特別迷人的景點介紹，合成引力波天文學之系列刊發(fā)，以饗讀者。
特別聲明：本系列科普文章都是相關(guān)學者基于他們將要申請、正在執(zhí)行、或者已經(jīng)結(jié)題的國家自然科學基金委支持的《國家自然科學基金項目》發(fā)展出來的，版權(quán)歸作者所有。
引力波天文學（一）：如何確定LIGO引力波源的電磁對應體
劉進忠（中國科學院新疆天文臺）
劉進忠：中國科學院新疆天文臺副研究員，光學天文與技術(shù)應用研究室副主任，碩士生導師，中國科學院“青促會”成員。主要從事致密雙星系統(tǒng)引力波源的理論研究及電磁對應體的搜尋等工作，主持了包括國家自然科學基金、美國“鄧普頓”基金-國家天文臺聯(lián)合項目和科學院“西部之光”等研究項目，目前參與了中國科學院先導B“多波段引力波宇宙研究”項目。
國際引力波探測聯(lián)盟LIGO在2015年9月14日探測到的GW150914這個引力波信號，不僅直接證實了廣義相對論的一個重要預言-- 引力波的存在，還為引力波天文學注入了無限的活力。例如，人們第一次知道，比典型恒星級黑洞大4-6倍太陽質(zhì)量的黑洞是存在的！那么，引力波的探測，究竟給天文學帶來什么樣的新機遇？在過去兩年多的時間里，國內(nèi)外的實測天文學家在關(guān)心什么？引力波天文學當前最重要的問題又是什么呢？答案非常簡單，尋找LIGO引力波源的電磁對應體！
引力波源的電磁對應體是指基于可以產(chǎn)生引力波的天體現(xiàn)象在電磁波段的輻射體現(xiàn)。例如, LIGO已經(jīng)釋放了”四支黑洞對”, 目前大家特別想知道這些黑洞在產(chǎn)生引力波的同時有沒有對應的電磁輻射體或電磁輻射的體現(xiàn)? 引力波電磁對應體的搜尋研究可以催生出很多新的科學案例，大家可以通過以下兩個方面進行宏觀了解：第一，引力波輻射和電磁輻射的成協(xié)性研究。比如要確定某類天體（如LIGO釋放的黑洞）的某一個物理參數(shù)，LIGO已經(jīng)給出來了，但是通過電磁觀測研究得到的結(jié)果大相徑庭，豈不很有意思？第二：研究引力波及其觸發(fā)現(xiàn)象隨時間的演化，這也許是我們真正全方位了解引力波的開始。
據(jù)了解，當前全世界至少有90個團隊（以簽MOU為準）參與了LIGO引力波源電磁對應體的搜尋研究工作，參與的設(shè)備包括地基的望遠鏡和空間的探測器，探測波段覆蓋低頻到高能。現(xiàn)代實測天文學為引力波電磁對應體搜尋的集中發(fā)力，真的讓人嘆為觀止。仔細想來，這個“大部隊”大致分為兩個梯隊，第一梯隊運用巡天類望遠鏡，具有“響應速度快”、“視野大”和“看得深”等特點；第二梯隊則通過一系列后隨望遠鏡有針對性地觀測目標，比如只做光譜等。當然兩者之間有交集和聯(lián)系，并不是嚴格區(qū)分的。
如果能證實電磁對應體的存在，那么多波段引力波天文學將掀開新的篇章。但為什么引力波源的電磁對應體現(xiàn)在還沒找到呢？雖然有人認為其中的不確定性太多，很難找到電磁對應體，但我們相信，通過下面“五個要素”（如下面的示意圖），可以讓我們無限接近答案。也許答案就在眼前，差的只是臨門一腳呢（注：本文只針對LIGO發(fā)布的引力波信號，如果談到空間引力波探測會有所不同）！
要素一：引力波源的概率密度天區(qū)
當前大家習慣用“聽”來理解引力波，而用“看”來描繪引力波源電磁對應體的信息。有人打過一個比方來形容LIGO引力波源的定位精度不準：很多人在一起聊天，突然“聽到”飛機飛過的聲音。大家抬頭“看看”這架飛機在哪，卻沒有看見，為什么呢？也許“看”的方位不對，那里壓根沒有飛機；也許“看”的方位是對的，但由于“抬頭看天”反應慢了幾秒鐘，飛機也沒了。因此，LIGO給出了類似于下圖的“skymap”, 這個有點像地球的橢圓形狀，也就是“天球”，星星都可以投影其上。圖中“紅的發(fā)黑”的位置表示在天球的北半球找到引力波源電磁對應體的可能性最大，而其他位置同樣有一定的概率發(fā)現(xiàn)引力波源的電磁對應體。如果要得到這個“sky map”, 也就是要確定引力波是從哪里來的，需結(jié)合引力波探測器的特征和某類引力波源的物理特性，通過數(shù)學的方法，計算得到的引力波事件可能發(fā)生在天球位置的概率密度分布圖?！皊ky map”的大小可以從近百平方度到上千平方度，細心的讀者可以發(fā)現(xiàn)第四個引力波事件GW170814的“sky map”比第一個GW150914的小很多，主要是VIRGO的加入，使得探測器由原來的兩套變成了三套。
LIGO示意的可能發(fā)生引力波輻射的位置概率密度分布圖
引力波源概率密度天區(qū)的重要性在于每個天文觀測設(shè)備特點各異，有的視場非常大（幾百平方度），可以把可觀測的引力波源概率密度天區(qū)一網(wǎng)打盡；而有些望遠鏡可能只有幾角分--幾度的視場，如果觀測全部天區(qū)就會很費時間。因此，很多實測學者就需要有選擇的進行觀測--即只觀測最大概率密度天區(qū)。
要素二：星表信息
星表通俗的來講是人們對已知的天文現(xiàn)象按照規(guī)范進行分類而得到的某種天體的信息匯總。這里所談星表信息是由LIGO探測的引力波源類別決定的。當前LIGO的探測對象都是恒星級致密天體并合（比如雙黑洞并合）所產(chǎn)生的引力波，屬于爆發(fā)性質(zhì)的引力波源，從實測的角度來說是全新的天文現(xiàn)象。所以，LIGO引力波源的電磁對應體不應該從星表中找到。
當前所有的天文實測團隊都是通過基于LIGO規(guī)范下的GCN（The Gamma-ray Coordinates Network）平臺來公布針對第一要素所完成觀測的結(jié)果，其中剔除星表信息就是一個關(guān)鍵步驟。各種星表都有使用的價值，多數(shù)學者是使用暗星星表來完成此工作。這步工作通俗的來講類似于“找鄰居”的過程，通過LIGO釋放的“sky map”并找到與之可以對應的若干星表，引力電磁對應體就淹沒在這些“鄰居”之中，可以通過剔除這些“鄰居”來完成引力波電磁對應體搜尋研究的第一步。其中發(fā)光比較厲害的“亮鄰居”，我們大都知曉，而對“暗鄰居”知道的相對少一點。就北天區(qū)而言，Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) 星表是相對比較完備的光度測量星表，里面有很多很多“暗鄰居”，讀者可以通過搜索Pan-STARRS的官方網(wǎng)站了解星表詳情。
要素三：多波段的交叉認證
LIGO引力波的發(fā)現(xiàn)點燃了很多人重新學習和思考存在了近百年的引力波物理和數(shù)學的熱情。這里的“多波段交叉認證”指的是LIGO引力波源的電磁對應體只要理論計算是存在的，那么從低能的射電波段到高能的伽瑪射線都會有所體現(xiàn)。因此，在LIGO探測到引力波信號后，在時間尺度成協(xié)的情況下至少要有兩個波段的觀測數(shù)據(jù)佐證，就像高能探測到 Gamma Ray Burst (GRB)，光學波段也可以看到它們的余暉一樣；或者就像光學和近紅外可以探測到新星的爆發(fā)現(xiàn)象，那么后續(xù)的射電波段也有很強的輻射一樣。為了確鑿找到引力波的電磁對應體，要素三以及下面的要素四都是從“求非”的角度被大家提出來的。
要素四：多觀測基站的交叉認證
這個話題類似于有人質(zhì)疑的“GW150914這個信號有沒有被其他引力波探測器觀測”的問題。其實稍微做點功課，就不難發(fā)現(xiàn)GW150914是美國東西海岸的兩套設(shè)備“準同時”探測到的，因此探測到引力波的事實確實存在。LIGO第四次釋放的GW170814引力波信號的“最大創(chuàng)新”之處在于VIRGO探測器里也能同時看到引力波信號，第三套設(shè)備也探測到了引力波了，這讓人們更加信服引力波的存在。引力波源電磁對應體的確認也會碰到類似的問題，即科學觀測的可重復性。我們期待的情景是：LIGO探測到引力波信號后，在時間誤差可以理解的范圍內(nèi)，全世界多地基/空基觀測設(shè)備可以同時觀測到某一個電磁輻射現(xiàn)象。
要素五：時域觀測信息
時域天文學是最近才被大家逐漸認識并重視的科學，是基于跨時區(qū)各種類型的觀測設(shè)備的布局和觀測技術(shù)進步而產(chǎn)生的，具有不間斷監(jiān)測和高時間分辨率的特點。在確定LIGO引力波電磁對應體時這個因素容易被大家忽略，主要是由于其耗時較長，會對“短、頻、快”的科學產(chǎn)出有一定影響。在LIGO電磁對應體的觀測研究之中，積累時域觀測的資料至少有三個方面的作用：1）更深刻揭示引力波電磁對應體的演化特征，而不是找到電磁對應體就完事了；2）多頻段的時域觀測信息更加珍貴，能夠讓我們多了解一些引力波本身隨時間演化的真實性；3）具有“糾錯”功能，假如某電磁對應體前面的四要素都滿足：在最大密度天區(qū)發(fā)現(xiàn)同時星表中也沒有對應體，多波段和多觀測站的數(shù)據(jù)也都是完整的，但如果時域觀測看到了若干“周期性”或“周期性簡并”的現(xiàn)象，那這個LIGO引力波電磁對應體就需要我們仔細思考了。
總之，大家對“多波段引力波實測天文學”的到來充滿憧憬，都堅信引力波的電磁對應體是存在的，最終能否“敲定”這件事情由很多因素決定，上面談的“五要素”應該被大家所重視。如果有人不服的話，可以參考Kip Thorne和JeremiahOstriker三十多年前的那場豪賭：引力波遲早會被探測到的！不過很不幸，雖然人類在2015年探測到引力波，但還是晚了15年，Thorne因此輸?shù)袅艘幌浼又莺镁啤?span>相信尋找引力波源電磁對應體，不會讓我們等待那么久。
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