2017年10月16日來自LIGO和Virgo 的激光幹涉天文臺宣佈觀測到雙中子星合並的引力波信號，同時全球70多傢天文臺的100餘臺儀器也先後在電磁波各個頻段觀測到瞭相應信號，整個科學界為之沸騰。這篇蹭熱度的帖子就來介紹下後面的物理和天文。
一、從太陽說起
太陽是什麼呢？簡單來說，太陽就是一團“火”球。它是一個由熾熱的等離子體構成的引力球。太陽的的質量是地球的33萬倍，它的引力強到不僅地球、火星，就連遙遠的海王星、冥王星都規規矩矩的服從它的引力，在它規定的軌道上年復一年的繞圈。既然太陽的吸引力這麼強，那麼太陽自身的物質又不像行星那樣繞著太陽轉，為什麼不會掉到太陽中心呢？打個比方說你像大海裡扔石頭，在地球的引力下它會沉到海底，但是你扔一塊海綿，海綿就會浮在海面上。這是因為海水本身的壓強差產生的浮力抵消瞭地球的引力。在太陽來說這也是一樣的，不過在太陽的核心，這種向外推物質來抵消引力的壓力不是來自於液體或者氣體的壓強，而是光輻射。光輻射自身具有能量和動量，當一束強光沿一個方向照向物體時，它也會產生壓力，推動物體前進。這些光輻射當他們離開太陽表面後照向四面八方，照耀瞭地球上的我們。
再進一步，這些光輻射又是哪裡來的呢？這就有點接近我們的主題瞭，他們來自太陽內部的核反應。太陽的主要成分是75%的氫和24%的氦，還有少量的金屬（在天文裡所謂的金屬是指所有比氫和氦重的元素）。太陽巨大的引力使得兩個氫核撞到一起進行核反應，形成一個氦核。換句話說太陽也是一個巨大的核電站，不過比起地球上的重元素裂變相比，在太陽內部進行的就是人類一直夢寐以求來獲得無窮清潔能源的可控核聚變。
那麼既然是核電站就需要原料，太陽裡的燃料再多也會有用完的一天，那麼所有氫原料用完瞭怎麼辦。理想的情況是如果氫全部燒成瞭氦，那麼我們就繼續燒氦，得到更重的元素，然後繼續燒更重的元素，直到天荒地老。理想是豐滿的，可現實卻是骨感的。反應究竟能進行到哪一步和星體的質量、溫度等密切相關。對於太陽來說，當氫元素接近燒完時，由於光輻射的減少，光壓不足以抵抗引力，於是太陽會慢慢地向內坍縮。當內部的氦核縮小到開始進行核反應是，突然增大的溫度會使得外層膨脹，太陽會膨脹成為一個紅巨星，到那個時候，地球也將被脹大的太陽所吞噬，迎來末日。杞人憂天的話，那一天距離我們也還有50億年。同時內部的氦核繼續反應，直到燒成碳核。到這一步，星體剩下的這個核已經變得非常致密，密度可以達到每立方米上白萬噸，光輻射也不足以抵抗強大的引力瞭。這個時候，就需要量子力學來拯救我們瞭。
說到量子力學，大傢想到的就是薛定諤和他的喵。不過這裡要說另一個人，錢德拉塞卡，簡稱Chandra，以他命名的空間X光望遠鏡觀測到瞭唯一的X光信號。錢德拉塞卡發現，由於泡利不相容原理，電子簡並壓可以對抗不那麼大的引力，使得坍縮過程終止。泡利不相容原理簡單說來，一類粒子像電子、中子、質子都是費米子，他們都有嚴重的社交恐懼癥，你把他們放到一起他們就互相厭惡對方，想要分開。當星體的核坍縮到很小的時候，這些電子不願意被擠壓到一塊，於是就顯示出壓力來抗拒這種坍縮，這就是所謂的電子簡並壓。當坍縮停止，形成的星體被稱為白矮星。我們的太陽到最後也會形成。但是，如果這個坍縮的核足夠重，引力足夠強，電子簡並壓也反抗不瞭引力的壓迫。這個極限有多大呢？這就是所謂的錢德拉塞卡極限，大概是1.4個太陽質量。也就是說對於小於這個質量的坍縮核，電子簡並壓會使得坍縮停止，形成白矮星。如果質量比這個更大，電子簡並壓也無能為力。
二、新星（nova）、超新星（supernova）、中子星
上面說到瞭白矮星，下面我們先來說和他相關的新星，然後再來繼續我們的坍縮過程。
所有名字叫nova的現象在觀測上來說都是一類，那就是突然看到天空中某個星體變得特別明亮，加上各種前綴可以變得更加明亮。新星是如何產生的呢？這就和白矮星有關瞭。前面說到瞭太陽的命運，太陽是一個單個的恒星。然而天文觀測中可以看到大量的恒星是存在於雙星系統中的，他們也不願做單身狗。那麼當其中一個變成白矮星，另一個伴星還沒有演化到白矮星時，而且他們足夠接近時，白矮星的引力就可以從伴星吸收物質。白矮星的主要成分是碳和氧，而吸收的物質主要是氫。當這些氫堆積在白矮星表面，他們會被白矮星的引力強烈的壓縮，從而開始核反應，釋放出大量的光輻射。瞬間白矮星變得非常明亮，這個現象被觀測到就叫做新星。
超新星則是比新星更加明亮的現象，甚至肉眼都可以看到。蟹狀星雲的超新星爆發在一千多年前就被宋朝人通過肉眼觀測記載下來。至於超新星的如何產生就要繼續我們坍縮過程瞭。前面說到，白矮星的最大質量是1.4個太陽質量，如果星體質量超過這個就會繼續坍縮。電子簡並壓也不能提供對抗引力的壓力，於是星體變得更加小，更加的致密。在這個過程中，有幾件事情會發生：其一是碳和氧會繼續核反應直至形成鐵核，因為鐵是最穩定的原子核，其二質子會和電子結合，通過所謂的弱相互作用，產生中子和中微子，其三便是超新星爆發。至於超新星爆發的確切機制目前還並沒有一個最完美的解釋，大多數模型認為是在坍縮的過程中或者白矮星從伴星吸收瞭足夠的質量超過其極限而產生的。
在坍縮的過程中，大量的中子通過弱相互作用形成，現在的星體變成瞭一個以鐵核為主，並含有大量中子的球。前面說到，中子和電子一樣也是社交恐懼癥，也就有瞭中子簡並壓。同白矮星一樣，中子簡並壓如果使得坍縮停止，那麼就形成瞭一個中子星。中子星也有一個最大質量，大概在2-3個太陽質量，但是目前並不知道是多少。如果超過中子星的極限，星體就會之間坍縮成為一個黑洞（這裡不考慮各種誇克星之類奇怪星體的可能性）。比起白矮星，中子更加的小，也更加的重。它的半徑在10km左右，而密度卻達到瞭每立方米上萬億噸。
旋轉的中子星會產生非常有規律的脈沖無線電信號，成為脈沖星。人類最早發現的中子星就是通過脈沖信號，當時被認為是外星人，於是命名為LGM-1，little green man，小綠人1號。
三、引力波
由於中子星的強大引力，同黑洞合並一樣，中子星的合並也會產生引力波信號。引力波的最早驗證並不是去年LIGO公佈的雙黑洞合並信號，而是1974年觀測到的雙脈沖星系統的周期變化。由於引力波輻射，這個雙脈沖系統在不斷丟失能量，使得他們靠得越來越近，從而公轉周期越來越短。觀測的結果與理論計算完美符合，第一次證明瞭引力波的存在。
Hulse-Taylor 脈沖雙星系統的周期變化曲線。紅點為觀測值，藍線為理論計算值。
和黑洞不同的是，由於光並不能從黑洞中逃逸，人們並不能期待可以在黑洞的合並過程中看到強烈的電磁波信號。而中子星則完全不同，人們期待在中子星對撞的過程中發生強烈的爆炸從而產生大量的輻射。這些輻射可以被大量的地面和空間望遠鏡觀測到。在2016年雙黑洞的引力波信號被觀測到前，人們寄希望於觀測這些電磁信號來告訴我們距離引力波觀測還有多遠。大量的研究資源被投放到引力波事件的電磁波信號上。現在這些研究終於得到瞭應有的回報。
四、伽馬暴、kilonova
伽馬暴和超新星類似，也是某個星體的突然被點亮，然而與超新星不同的是，這個星體的點亮並不是在可見光波段，而更高能量的伽馬射線。伽馬暴的發現也是一個巧合，1967年美國用於監測地球核試驗所產生輻射的衛星觀測到瞭突然產生的伽馬射線，而且非常的短暫。出於保密原因，這些數據直到十年後才公佈，直到80年代，人們才確定這些伽馬射線來自宇宙。
觀測到的伽馬暴事件關於它的持續時間呈現明顯的雙峰分佈，大致以2秒為限。短的被稱為短暴，長的稱為長暴。這些伽馬暴是如何產生的，仍然是一個科學前沿問題。現在的猜想大多是，長暴來自於恒星的坍縮和超新星爆發，短暴則是來自於中子星的對撞。那麼現在問題來瞭，既然中子星的對撞既可以產生引力波，又可以產生短伽馬暴的話，那麼我們是不是應該同時觀測到他們？然而現實又一次現出瞭骨感的一面。由於伽馬暴的極高能量，它所噴出的物質非常接近光速，又由於相對論效應，這些物質所產生的電磁輻射會形成一個非常窄的光束，就像一個燈塔。隻有當燈塔的光束直接照向地球，我們才可以看見這束光，否則那束光會變得非常微弱，於是既要看到極其微弱的引力波信號，又要看到極其微弱的電磁波信號可謂難上加難。
在這個時候，kilonova站瞭出來。為什麼叫kilonova呢？因為和nova一樣，星體會產生瞬間的可見光波段變得特別明亮。kilo則是指亮度是普通nova的一千倍左右，所以就叫kilonova，也有人把這個叫做macronova。
當兩個中子星合並時，這個爆炸的過程除瞭產生伽馬暴的極窄的噴流束之外，還會將很多物質拋灑出來。這個拋灑不像伽馬暴那麼窄，可以看作是向各個方向的。這些被拋出的物質來自於原來的中子星，於是他們含有許多的中子。前面說到中子星大多數是鐵核，是因為鐵核最穩定。當原子核再吸收一個或多個中子時，所形成的同位素是不穩定的，會迅速衰變。然而如果吸收中子的速度快於不穩定原子核衰變的速度，那麼原子核可以在衰變之前吸收多個中子並衰變成比鐵更重的穩定原子核。這個就是所謂的r-process（r代表rapid）。於是在中子星對撞所拋出的這些物質中，重的核素可以被合成，一直到重金屬、金銀鉑、鑭系金屬、鈾、甚至比鈾更重的元素。這些元素的核反應伴隨著放出各個波段的大量的電磁輻射和中微子輻射，然而由於這些物質溫度和密度極高，電磁和中微子輻射是不能直接穿透這些物質的。光和中微子被這些物質反復吸收折射。然後這些被拋灑出來的物質向外不斷膨脹做功，逐漸冷卻下來，使得光和中微子可以穿透到達地球被我們觀測到。大概在一天之後，可見光波段變得透明，從而被看到。將近一個月之後，這些拋出的物質和周圍的星際介質相互作用產生激波和無線電輻射。所以在各個波段的觀測都可以看到一個瞬間的明亮然後慢慢黯淡的亮度曲線。這一切都完全符合GW170817的觀測結果。中微子的信號缺失是一個問題，然而所產生的中微子能量在MeV左右，這對於icecube來說背景噪音太大，很難觀測的到。
kilonova的提出還解決瞭一個問題就是宇宙中的那些超重元素是哪裡來的。按照大爆炸理論，宇宙一開始是一鍋湯，然後慢慢冷卻，形成基本粒子如電子、中子、質子，然後質子和電子組合成氫原子，使得宇宙對光透明，這就是所謂的recombination，宇宙背景微波輻射的光子就是來自於那個遙遠的階段。再之後重些的原子開始形成。大爆炸的核合成理論正確計算瞭宇宙中氫和氦的豐度。更重的元素則是要在恒星的核反應中形成。然而我們之前所說，在坍縮的過程中，能形成的最重元素在鐵左右，要形成更加重的元素就需要進行r-process。可是什麼樣的場景可以進行r-process，之前人們覺得是超新星，可最近的計算發現，超新星的環境不太適應r-process的進行。現在kilonova提出瞭一個可行的超重元素產生的機制，告訴各位手上戴著的戒指就是來自於中子星的碰撞。Edo Berger在發佈會上也說，想象這麼多（100個地球質量）的黃金被中子星拋灑出去，這會對黃金期貨的市場產生多大的影響。
kilonova的電磁輻射示意圖
GW170817和GRB170817A的觀測信號時間線
最後，放上幾張鎮樓的圖。
第一張，GW170817的亮度曲線。圖中藍點來自觀測數據，紅線來自Brian Metzger（kilonova的名字是他起的，怎麼也想不出好的中文名字）的理論預言。理論的模型是2010年做得，現在得到瞭完美的驗證。這種事情一輩子有一次能看到都值瞭。
GW170817和GRB170817A的亮度曲線
第二張，各個觀測波段的亮度曲線，同樣符合的很好。
GW170817和GRB170817A在不同觀測波段的亮度曲線，實線為理論計算，數據點來自觀測
第三張，4天半後近紅外波段的光譜，再一次符合得很好。
GW170817和GRB170817A在近紅外波段的光譜，黑線為觀測數據，紅線為理論計算
五、總結
1.這次的中子星合並的引力波和電磁觀測標志著一個新的紀元，多信使天文學真正開始瞭，觀測和理論工作都會進入一個新的階段。
2.這一個事件的觀測和理論除瞭天體物理涉及瞭現代物理的各個方面：中子星結構（hep，gr，cond-mat），引力波（gr，hep，cosmology），伽馬暴（relativistic hydro/MHD，numerics），雙星演化（hydro，cosmology），引力子質量（hep，gr）……不勝枚舉。