小望远镜的逆袭：独家披露第一颗引力波光学对应体发现之路
按：2017年10月16日，LIGO宣布第一次发现引力波光学对应体——一颗位于星系 NGC 4993 中的合并中子星产生的千新星，它的发现不仅无可置疑的证明了引力波的真实性，也为千新星物理和宇宙重金属起源打开了一扇大门。然而，这么重要的发现，居然是一个极为年轻的团队用一台相对老旧的望远镜第一个发现的。
本文中，笔者尝试重新勾勒整个千新星发现的具体细节。在此极为感谢加州圣克鲁斯大学@黄崧 博士的第一手资料。
一、引力波来袭，全球天文学家共逐同一颗星
2017年8月17日，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了一个非常奇怪的“鸟鸣”信号，这个信号很快和2秒之后的Fermi卫星的一个伽马暴信号联系起来，嗅觉敏锐的天文学家立马认识到，这可能是一次和伽马暴相关的引力波事件。消息立马被传送到和 LIGO 合作的40多个天文台。此时，加州大学圣克鲁斯超新星搜索组的二年级博士研究生 David Coulter 正在丹麦，听说消息后立马通知了导师 Ryan Foley。一开始，Ryan 还以为这是一个玩笑，天上还有这么令人激动的事件？随后，认识到这个发现重要性之后，他立刻跳上自行车飞驰向他的办公室。 这个小组立马行动起来，准备起了这次发现引力波对应体的竞赛，竞赛的奖励实在太丰厚了，可以把这个小组的名字写在天文学史上。
和以往引力波不同的是，这次引力波的定位精度大为提高，缩小到了南半球天区一块仅有31平方度（一平方度约５个看到的月球大小）的天区，并且大概知道了距离，约在1.04亿～1.57亿光年之间。
这个数据被各个望远镜研究小组收集起来。大家很快就发现，这里的星系数目有限，如果能够逐一搜索所有的星系，很可能能够很快找到对应源。遗憾的是，伽马射线波段的卫星不能准确定位，天上的其他卫星也因为各种原因不可观测。确定位引力源的任务只有交给地面光学望远镜完成。
然而，这片天区虽然较小，可是太过于靠近太阳，而且又在南部天区。北半球大量的望远镜群都不能够覆盖这片天区。而对南半球天区的望远镜而言，能够观测时间也极为有限，仅仅只有日落之后的两个多小时。在南半球，有三个重要的天文观测基地可以观测，分别是是澳大利亚的望远镜群，南非的望远镜群和智利的望远镜群。引力波发生时，正好是澳大利亚东部时区16日23时41分，因而东部的望远镜错过了观测时机，即便这样，澳大利亚一些小型的望远镜仍然尝试展开了观测，虽然没有结果。而此时，南非的时间是下午14时41分，智利是上午9时41分。此时，对智利和南非的多台望远镜来说，竞赛正式拉开了帷幕！
二、运筹帷幄，预先准备终于发挥成效
Ryan 团队是一个极为年轻的团队，除了 Ryan 之外仅仅有一名博后和 6 名博士研究生。所用的设备建设与1970年代的直径只有一米的老式 Swope 望远镜：它设备老旧，工作人员不得不依赖手动操作；视场较小，不利于巡天。在这次竞赛里面，相比于拥有者大视场望远镜和高性能成像仪器的竞争对手，这台望远镜实在是有些寒酸。
对于大视场范围的巡天，很多天文学家的方法便是一片天区一片天区逐步的覆盖，最终合并到一起生成图像，此次搜寻千新星也不例外。但是Swope望远镜的视场（观测天区范围）只有月亮大小（29.7角分*29.8角分），这意味着要想把全部天区（31平方度）覆盖完毕，它需要拍摄起码120多张图像，这对 Swope 望远镜来说是不可能在2个小时内完成的。但是，这在二年级研究生David Coulter眼里却都不是困难，他在过去一年中的工作是研究优化观测计划和目标优先级算法。David对这项工作一开始有些抵触，觉得这种工作没有什么科学意义，但在此时，先前的研究却发挥了极大地作用。
Ryan 小组的想法就是不进行全天区巡天，而是根据 LIGO 预测的千新星距离来筛选可能的星系，并且尽可能把多个星系放入一张图像之中。实际上，他们的策略就是整理了在合适天区，合适距离内可能的57个星系，然后尽可能把更多的星系放在同一个视场内。他们发现可以用12个天区来覆盖46个星系，使得每个天区覆盖至少两个星系，剩余的11个较为独立的星系则被延后观测。对这12个天区，观测的顺序基于两个原则：一是视场有更多的星系，二是视场尽可能的位于 LIGO 预言的高概率（下图Host probability）区。这样，他们制定了观测计划，考虑到千新星模型认为千新星较红，他们决定采用较红的 i 波段观测，每个天区观测时间设定为60秒。加上后续图像处理，12个天区在30分钟内就可以覆盖完成。他们制定的计划如下图所示。
在这次观测中，比较有意思的是，Ryan 和 David 此时身处丹麦，小组其他成员在美国，望远镜在智利。因此，Ryan 小组使用协作工具 Slack 软件，建立起了丹麦－美国－智利的跨洋通讯网，使用小组讨论的方式研究观测方案，并及时交流信息。每个小组成员都被动员了起来，为观测做准备。到了当天傍晚时分，万事具备，只待天黑的时刻。
三、团队合作，决战千新星发现
８月17日晚19时，智利拉斯坎巴拉斯天文台，太阳逐渐落下，当地时间19时13分，正式的观测拉开帷幕，身处智利的观测助手熟练地操作着望远镜，把一张张珍贵的图像发送到圣克鲁斯大学。小组成员迅速身处热烈的讨论之中。小组中唯一的博后 Charles Kilpatrick 接受数据。把一张张刚拍摄的天区照片和以往的图像作对比。他使用天文软件DS9，这个软件可以对齐并来回快速闪烁前后两张图像，使得天文学家可以比对两张图片找出异同。
时间一分分过去，每块天区都要逐一检测，他们反复比对同一块天区两个时段天区的异同。前面的图片一无所获，在智利时间19时59分(加州16时59分), 他查看到19时33分拍摄的第9张图时，一开始看上去没有新东西，但是当他细看时，在第９张图左下方，星系 NGC 4993 中出现了一个之前从未发现的星点。Charles 立马向小组汇报汇报：发现了一些新东西！Ryan 和小组中成员立马沸腾了。他们找到了这颗千新星！他们也确实值得庆幸，DES等小组也随后独立找到了这颗千新星，可惜的是他们晚了仅仅10分钟!
为了满足读者的好奇心理，我们特地制作了相对应的 ds9 视频来模拟此次发现。由于 Ryan 组仅仅公布了8月17日的图像，我们并未能找到 Ryan 组比对的原始图像。这里使用了8月29日，当千新星完全暗淡下去的图像和8月17日的图像做对比，展示这颗千新星如何被发现。
https://www.zhihu.com/video/914209566454071296四、继续拓展，全球望远镜参与千新星观测大狂欢
发现千新星之后，Ryan小组立马确定这个新点不属于任何已知的小行星和超新星，随后他们就开始向全球天文学家发布这个结果并请求进一步的研究。整个全球的望远镜迅速跟进，先后有70多台望远镜参与了观测。根据观测数据，天文学家很快确认了它的温度下降很快，从紫外到近红外的光谱中有着极为明显的镧系金属的特征，这正是天文学家所追求的千新星！随后，X射线和射线波段的观测继续跟进，据统计，全球近30％的天文学家参与了此次发现。
值得一提的是，直径仅仅１米的 Swope 望远镜在今天属于较为小型的望远镜，它缺乏现代的天文巡天所要求的大视场和自动化程序，其实不适合此次任务。但是得益于 Ryan 组提前所做的观测目标准备，以及智利观测助手的高效工作，Ryan 组反而成了最大的赢家，仅仅40多分钟就找到了引力波对应源，成功打败了很多拥有更高性能望远镜的小组。这不单单是运气上了天，更是 Ryan 组对望远镜观测计划策略的成功和小组高效工作的结果！可见即便在今天，天文学家拼命追求大望远镜的大环境下，天文学家仍然能够通过出色的设计和高效的工作，用小望远镜做出不亚于大望远镜的贡献。
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