1915年，爱因斯坦发表了广义相对论场方程，标志着广义相对论的诞生。次年爱因斯坦发现了场方程存在一个波动解，预言了引力波的存在。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应，质量的存在导致了这种时空弯曲。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所产生的时空弯曲越大。而当一个有质量的物体运动的时候，该物体的位置变化同样会导致时空曲率的变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对时空曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播，这种传播现象被称之为引力波。

当一个引力波传播到两个两个邻近且自由下落的粒子时，粒子之间的距离就会随引力波发生有节奏的拉伸和压缩，这个频率与引力波的频率相等，而这种效应的强度与到引力波源的距离成反比。

（图源：https://www.space.com/gravitational-waves-future-discoveries.html）

引力波的产生，是因为非对称的运动造成了四极矩随时间变化，笼统的讲便是系统的轮廓随时间变化。例如当一个哑绕其长轴旋转时，哑铃的轮廓不发生变化，因此不会产生引力波。但当哑铃垂直于长轴旋转，就会产生引力波。如果哑铃两端的质量极大，此时哑铃就等效于中子星或黑洞双星系统。非对称系统的质量越大，运动速度越高，其散发的引力波就会越强。一般我们采用无量纲振幅h来描述引力波的大小，其意义是处于引力波下两个粒子的最大挤压度占原距离的比例。

（图源：http://www.docin.com/p-1475715392.html）

自广义相对论预言引力波以来，无数科学家参与尝试对引力波进行直接探测，但由于引力波效应引起的物体尺度变化过于微小，并且诸如超新星爆发的强引力波源十分稀少，这些尝试均没有获得成功。

直到2015年9月14日，光路长度达到1120km的美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到来自双黑洞并合的引力波信号，这一双黑洞并合事件发生在13亿光年之外，该发现完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图，揭开了引力波天文学时代的序幕。

（图源：https://www.sohu.com/a/195157531_609573）

天文学发展至今，电磁波段是发展最完善、理论研究最透彻的观测窗口，也是现有探测手段与探测仪器最丰富的窗口。只有实现了引力波与电磁波的联合探测，我们才可以证认引力波源的天体物理起源，并对其天体物理性质，如引力波源的形成演化，引力波源所在的星系类型等开展进一步的研究，并揭示物理过程的更多本质。

目前能够探测到的引力波事件都对应着黑洞、中子星等致密星体的并合。此类事件通常通过多种渠道向外释放能量，引力波只是其中一种，电磁波也可以是一种，因此我们将能与引力波事件相对应的电磁波源称为引力波电磁对应体。

引力波电磁对应体的搜索有两种途径，一种是电磁波望远镜单独对尽可能大的天空进行实时监测，并记录下所有的暂现源的开始时间和位置，通过与引力波事件的时间和位置的对比，找出引力波电磁对应体。另一种是当引力波探测器探测到引力波信号后，快速通知给电磁波望远镜，并提供一个大致的位置范围，望远镜通过对这个位置范围进行逐点扫描。

2017年8月17日，LIGO和Virgo（欧洲“室女座”引力波探测器）共同探测到不同以往的新型引力波事件GW 170817。另外美国宇航局Fermi伽马射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽马暴GRB 170817A。这是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波。根据已有数据，这次双中子星并合事件被锁定在31平方度的范围内，全球70余个天文台对GW 170817开展了搜索，观测覆盖了可见光、红外、紫外、高能射线以及射电波段。位于智利的Swope望远镜第一个在NGC4993星系中观测到一个明亮的光源，确认这次引力波事件的电磁对应体为一个千新星（SSS1a）。这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体，是引力波天文学的极为重要的里程碑，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了多信使引力波天文学时代。

（图源：https://zh.wikipedia.org/wiki/GW170817）

而人们之所以能够如此快速地锁定NGC 4993并找到引力波源，既得益于此次多平台同时探测到引力波对缩小搜索范围提供的帮助，也得益于全球天文学家及天文望远镜的通力合作。

从引力波天文学的角度上讲，引力波事件电磁对应体的观测研究意义可相比于引力波信号的直接探测。换句话说，只有实现“引力波+电磁波”的联合探测，才是真正意义上开启了引力波天文学的大门。

（图源：https://www.ucdavis.edu/news/colliding-neutron-stars-seen-gravity-waves-and-optical-telescopes/）

此次多平台同时探测到引力波，使得引力波源的可能位置被缩小到了31平方度的范围内（1平方度可以容纳五个满月），留给天文学家们要做的就是快速地将这31平方度的天区覆盖完毕，由于并不知道真实的电磁对应体会出现在什么时候、什么波段，因此搜寻电磁对应体要求参与的望远镜足够多，波段足够宽，这样才有可能实现对引力波定位误差范围的覆盖。

我国多个团队也参与了观测，其中中国南极巡天望远镜AST3团队对NGC4993开展了观测，观测持续了一个月以上，获得了大量重要数据。我国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”（HXMT）也对波源天区进行了观测，并对引力波源在MeV能区的辐射给出了国际上最为严格的上限。

目前已经有90多个科研机构的超过100多个望远镜和引力波合作组签署了合作协议，随时待命开展电磁对应体的搜索。相信随着观测能力的提升，引力波及其电磁对应体的相关研究将继续有力推动引力波天文学的发展。

参考文献：

1.https://wenku.baidu.com/view/3324fbefcc22bcd127ff0c2b.html

2.https://www.sohu.com/a/198913935_160309

3.王晋岚.首次探测到引力波的电磁对应体[J].科学, 2017, v.69(06):17-17.

4.https://baike.baidu.com/item/激光干涉引力波天文台/461493?fromtitle=LIGO&fromid=8728944&fr=aladdin

  作者简介

  单跃凡，华中科技大学光电学院硕士研究生，华中科技大学天文爱好者协会；

  马冬林，华中科技大学光电学院/天文系，副教授，主要研究领域天文光学技术。

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  编校：王炎 冯文凡  雷卫华

  文章编号：华中大天文200715B