在遥远的宇宙深处，在地球的斗转星移间，在人类的感官范围之外，亿万年的时空正在演绎着一出出壮丽的宇宙烟花盛宴。这种令天文学家深陷迷醉的神秘天文奇观，便是伽马射线暴。伽马射线暴具有惊人的威力，一秒之内释放的能量竟能超越太阳毕生所释放的能量总和。
1967年人类首次发现伽马暴，至今已经过去了半个世纪，但科学家对其起源的探寻却从未停歇。近年来，通过对近万个观测样本的统计分析，人们逐渐找到了一些线索：那些持续时间超过两秒的伽马射线暴，被称为"长暴"，通常起源于大质量恒星的坍缩过程；而那些持续时间短于两秒的伽马射线暴，被称为"短暴"，往往源自双致密星的并合，例如双中子星或中子星-黑洞的并合事件等。而真正将短暴与双中子星并合事件确定关联的，是引力波事件GW 170817和短暴GRB 170817A的联合观测。这一历史性事件不仅证实了双星并合与千新星现象关联，还为我们揭示了伽马射线暴并合起源的部分谜团。然而，近年来出现的一些与千新星成协的长暴事件，如GRB 211211A，再次使伽马射线暴的并合起源问题变得复杂和难以捉摸起来。
GRB 211211A是一例特殊的长暴，持续时间约80秒。这一事件在观测上十分罕见，相当于在一百亿年的光行程内，我们连续探测7年才会发现一次（如图一所示）。基于与该伽马射线暴事件成协的高度可信的千新星证据，科学界普遍认为这例长暴是致密双星并合的结果，例如双中子星并合和中子星-黑洞并合。然而，GRB 211211A异常长的爆发持续时间在双中子星或中子星-黑洞并合的理论框架下该如何解释？学界在这个问题上存在多种不同的观点，尚未形成令人信服的共识。
在一篇于2022年12月8日刊登在《自然》的论文[1]中，南京大学天文与空间科学学院的博士生杨俊另辟蹊径，提出了一个有趣的观点：一个质量接近钱德拉塞卡极限的巨大白矮星与一个类似质量的中子星并合，可以自洽地解释GRB 211211A的所有观测数据（相关新闻报道）。而这一观点也得到了更为详细的模型支持[2]。然而，正如杨俊等人在文中所提到的，这类白矮星与中子星并合起源的证认，尚缺乏最后一块拼图，即引力波的观测证据。
什么是引力波？我们不妨把宇宙想象成一个巨大的橡皮膜，上面铺满了各种行星、恒星和黑洞。当这些天体在宇宙中进行非对称的移动或碰撞时，它们就像在橡皮膜上跳舞一样，产生一种奇特的波动，使时空发生改变。这种波动就是引力波。类似于电磁波是由加速电荷引起的，引力波是由加速质量引起的。由于引力相互作用十分微弱，普通物体产生的引力波非常难以被观测到。 而如果足够庞大的质量以极高的速度（接近光速）运动，则可以产生目前人类技术可以实现探测的引力波信号，比如双致密星的并合。对于不同组成类型的双致密星系统，它们的引力波波形也有所不同。目前，地面的引力波探测器已经成功探测并分辨出双黑洞并合、中子星-黑洞并合和双中子星并合的信号。通过这些信号，人们不仅可以知道致密双星的组成，还可以得到其质量和距离等关键信息。
图一：短伽马射线暴（黑色）和长伽马射线暴（红色）的事件发生率和光度函数，以及GRB 211211A（蓝色）的事件发生率。
引力波信号将为类似GRB 211211A事件提供并合起源的关键证据。不同的引力波信号的频率和波形是区分不同致密天体并合信号（双中子星并合、中子星-黑洞并合和中子星-白矮星并合等）的关键特征。 具体而言，双中子星或中子星-黑洞并合引力波信号主要集中在千赫兹的频率范围，可以由地面引力波探测器观测到。而中子星-白矮星并合的引力波信号则通常出现在毫赫兹的范围。而未来的空间引力波探测器，例如中国的天琴计划和太极计划，则可以探测这个波段。
在对不同致密星组成产生的引力波信号差异的研究中，南京大学天文与空间科学学院2023级研究生尹一涵同学利用模拟产生了不同阶段的白矮星-中子星并合和中子星-黑洞并合的引力波信号，结合引力波探测器的灵敏度，预测了引力波探测器对这些信号的观测情况，反映在图二中直线和曲线所围成的面积上，面积越大则信号质量越好。
图二：地面和空间探测器对GRB 211211A在不同物理模型下所对应的引力波信号的预测。橙色虚线和点线：中子星-黑洞并合的预测引力波特征应变。蓝色虚线：中子星-白矮星并合的预测引力波特征应变。灰色虚线：3 Mpc 处中子星-白矮星并合的预测引力波特征应变。 彩色实线曲线：不同引力波探测器的特征噪声应变。灰色填充块：使用天琴探测器观测 3 Mpc 处中子星-白矮星并合的频率范围。
研究的结果显示，如果GRB 211211A源于中子星-黑洞并合事件，那么目前已升级的和未来期待升级的地面引力波探测器（包括LIGO、Virgo和KAGRA）都将能够探测到信噪比超过8的高频引力波信号。如果伽马射线暴源自中子星-白矮星并合，那么只有BBO和DECIGO这两个十几赫兹的空间引力波探测器才能够探测到相关的引力波信号。对于另外三个毫赫兹级别的空间引力波探测器（LISA、太极和天琴），GRB 211211A必须距离我们不远才能探测到它的信号。例如图二中所示的灰色填充区域，它反映了如果GRB 211211A发生在较近的3 Mpc处被天琴所探测到的情况。虽然对事件发生的距离有所要求，但是当千赫兹频率范围内没有探测到双中子星或中子星-黑洞并合信号时，毫赫兹级别的引力波探测器仍然能对类似GRB 211211A事件提供限制性信息。
遗憾的是，在GRB 211211A事件发生时，现有引力波探测器并未处于运行状态，因此，当前的观测数据无法为该事件的起源提供决定性证据。然而，这项研究指出，对于未来出现类似GRB 211211A事件的情况，通过监测相关的引力波信号，我们有望最终揭示是哪种致密星组合导致了这类天体现象的产生。
迄今为止，人们尚未观测到同时发生的长伽马射线暴与引力波信号。然而，这项研究所提出的方法，即通过利用引力波信号来探究长时标伽马射线暴的并合起源，凸显了未来引力波探测器在研究不同致密星并合系统（如中子星-白矮星并合、双中子星或中子星-黑洞并合）的物理特性和规律方面的潜力。
该研究以《GRB 211211A-like Events and How Gravitational Waves May Tell Their Origins》为题在2023年9月1日发表于美国《天体物理学快报》上[3]。南京大学天文与空间科学学院研究生尹一涵同学为论文的第一作者，南京大学张彬彬教授为论文的通讯作者，美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授、国家天文台孙惠研究员、南京大学天文与空间科学学院杨俊博士生、北京大学邵立晶教授和康亚城博士生、意大利罗马第二大学杨雨涵博士后合作参与指导了本研究工作。本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国空间站项目、江苏省双创计划、国家"双一流"建设经费等支持。
相关新闻：
https://astronomy.nju.edu.cn/twdt/xwdt/20221208/i234068.html
文章链接：
[1] Yang, J., Ai, S., Zhang, B.-B., et al. Nature (2022), https://www.nature.com/articles/s41586-022-05403-8
[2] Zhong, S.-Q., Li, L., & Dai, Z.-G, GRB 211211A: a Neutron Star−White Dwarf Merger?, ApJL (2023), https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acca83
[3] Yin, Y. I., Zhang, B.-B., et al., ApJL (2023), GRB 211211A-like Events and How Gravitational Waves May Tell Their Origins, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acf04a