——中国望远镜参与全球射电望远镜组网观测作出新发现 

　　2017年8月，人类首次发现了双中子星并合引力波事件GW170817，是迄今为止发现的唯一此类事件，并后续探测到它的电磁波对应体，从而开启了多信使天文学时代。近日，国际顶级期刊《科学》的一篇文章发表了最新进展：全球五大洲的射电望远镜组网观测，发现了双中子星并合后产生的喷流破“茧”而出，揭开了喷流的身世之谜。上海天文台的研究人员以及中国望远镜（上海天马望远镜、云南昆明望远镜、新疆乌鲁木齐望远镜）在此项研究中发挥了重要作用。   

　　一、GW170817如何与众不同？ 

　　自从2015年首次探测到引力波后，人类已经发现了多次引力波事件，但都是两个黑洞并合产生的，直到2017年8月首次探测两颗中子星并合产生的引力波事件GW170817。它显得与众不同，因为除了引力波，还在整个电磁波段产生了超强电磁辐射。 

　　伴随着中子星并合过程，会发生伽玛射线爆发；随着质量巨大的物质被抛射出去，这些抛射物与星际介质作用，产生了从X射线到射电波段的光，被称作伽玛暴余辉。抛射物在并合后的天体（黑洞或大质量中子星）周围形成一个“壳”。 

　　二、余辉为何如此，喷流“成功”或“失败”？  

　　既GW170817发现后，天文学家们在X射线、光学和射电波段对余辉继续进行了大量的跟踪观测，意外地发现余辉在缓慢变亮，该过程持续了150天左右，之后开始逐渐变暗。对于这一现象，该如何解释呢？　  

　　理论认为，这种持续上百天的电磁辐射被认为是来自于新形成的系统产生的喷流，其中两个喷流模型得到了较多的观测支持，但两者之间存在激烈的争论。焦点在于喷流能否成功突破抛射物形成的包层：成功喷流（也称结构化喷流）模型认为喷流是准直的，能够穿透壳层，然后进一步延伸到更远的星际空间；而失败喷流（也称窒息喷流）模型则认为，喷流张角比较大，准直性不好，被束缚在“蚕茧”一样的抛射物壳层里，无法冲破壳层，只能慢慢推动壳层膨胀得更大。 

　　图1：中子星并合遗迹—“黑洞（中子星）-吸积盘”系统产生的喷流冲破千新星壳层进入星际空间。致谢：NASA / CXC / GSFC / B.Williams等 

　　三、甚长基线干涉测量技术出招解难题 

　　令人遗憾的是，即使X射线、光学、射电望远镜进行了长达两百多天的监测，却始终无法从亮度变化上对两个喷流模型进行有效地区分。该工作的第一作者、意大利国立天体物理研究所的Giancarlo Ghirlanda博士表示，“解决理论模型的争论还得寄希望于更高分辨率的射电图像。根据理论预期，在电磁辐射爆发200多天后，成功喷流会运动到较远的距离，并且保持致密的形态；相反，窒息喷流的运动距离会比较短，辐射区域的尺度会更大，形态像一个大气泡。” 

　　论文第五作者、瑞典查尔姆斯理工大学高级支撑科学家/上海天文台客座研究员杨军介绍，由于喷流的射电辐射非常微弱，再加上从150天之后亮度开始减弱，只有非常灵敏的射电望远镜阵列才能探测到。另一位论文合作者、上海天文台的安涛研究员指出，不论哪个模型，预测的喷流结构大约几个毫角秒，只有超高分辨率的甚长基线干涉测量技术（VLBI）才能获得其图像。因此，VLBI在GW170817射电余辉观测中扮演起独一无二的角色。 

　　四、VLBI发现GW170817的喷流破“茧”而出，提供了“成功”喷流模型的强有力证据 

　　从引力波事件GW170817被发现起的一年时间里，一个由30多人组成的国际团队利用全球VLBI网对GW170817进行了多次规模不同的观测。最大规模的一次观测，也是最好的观测数据来自于2018年3月12-13日的全球联测，此时距离GW170817的发现已经过去207天了。 

　　据杨军介绍，本次观测组织协调了分布全球五大洲（欧洲、亚洲、北美洲、大洋洲、非洲）共计32架望远镜，如图2所示，观测频率为5GHz。安涛特别指出，GW170817位于南天，中国天马65米射电望远镜和昆明40米射电望远镜的地理纬度较低，与澳大利亚望远镜的共视时间较长，因此在南北方向上贡献了不少宝贵的长基线数据，对最终实现高分辨率成图起到重要作用。 

　　图2：参与此次观测的射电望远镜代表。Credit：Paul Boven（JIVE）。 

　　此次全球VLBI观测数据的分辨率更高，图像最高分辨率达到1.5毫角秒，约为地球上观测月面嫦娥卫星登陆器所张的角度的一半。安涛表示，此次观测对射电源的大小做出了最严格的限制，是对不同喷流模型的最强约束，为结构化喷流模型提供了强有力的独立观测证据。 

　　该项研究取得的重大突破也激发了射电天文学家对引力波电磁对应体观测的信心和研究兴趣。从2019年开始，引力波探测器进入了新一轮观测，预期在未来几年，将会发现更多中子星并合事件，按照理论预测，超过10%的并合事件能产生成功喷流，能够用VLBI技术精确地测量位置、大小及其运动速度，进而约束喷流与视线方向的夹角、喷流本征速度、喷流释放的能量等关键物理参数，从而为我们认识引力波事件提供更多的信息。 

　图3：由五大洲33个射电望远镜组合的全球观测网获得的双中子星并合后产生的喷流的图像。伪彩色图像表示亮度，图像中心最亮的红点是喷流，图中其余成份都是噪声。图片来源：Ghirlanda et al. 2019, Science。 

　　原文链接： 

　　G. Ghirlanda, et al. 2019, Science, vol 363, issue 6429 

　　URL:  http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aau8815    

　　新闻联系人： 

　　左文文，中国科学院上海天文台，wenwenzuo@shao.ac.cn, 021-34775125 

　　科学联系人： 

　　安涛，中国科学院上海天文台，antao@shao.ac.cn， 021-34775503 

　　杨军，瑞典查尔姆斯理工大学/上海天文台，jun.yang@chalmers.se