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宇宙中的黄金是怎么来的?问问最新的重力波吧

   在这张插图中,两颗即将相撞的中子星,互绕旋转越靠越近,产生了时空的涟漪。 ILLUSTRATION BY NASA

在这张插图中,两颗即将相撞的中子星,互绕旋转越靠越近,产生了时空的涟漪。 ILLUSTRATION BY NASA


视频:重力波的发现可以说为天文学开启了一个新的时代,这段影片介绍了这种时空涟漪的种种知识。

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Nadia Drake 编译:胡佳伶):如果观测到两颗中子星合并的传言属实,那么我们或许就会知道银河系的黄金是否源自于此。

在8月底举行的一场天文会议上,天文学家热烈讨论,等不及听到关于两颗奇异的死亡恒星可能互撞的研究报告。如果传言属实,那么科学家或许已经首度侦测到了两颗中子星发生剧烈合并时,所产生的时空涟漪。

这种时空中的涟漪,称为重力波。雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)的科学团队在2015年首度直接侦测到重力波。那次事件和后来两次侦测到的重力波(信号都已获证实),都是由两个黑洞碰撞所产生的。

这次,天文学家可能侦测到了两颗恒星互绕旋转,最终碰撞合并时所产生的重力波,这样的结合似乎在宇宙中留下了历久不衰的印迹,许多科学团队竞相使用地球上最先进的仪器进行观测。

LIGO团队和欧洲的处女座(Virgo)侦测器团队在8月25日宣布,最近一次寻找时空涟漪的观测结束了,但他们只发现了一些「很有可能是重力波的事件」。现在我们只能等待这两个团队在检验并确认数据后,公布最后的结果。

LIGO或许观测到了恒星死亡之舞的最终阶段,这样的可能性让我们不禁想问:我们对中子星了解多少?为何我们要关注中子星?

中子星究竟是什么?

顾名思义,中子星几乎全部由中子构成,这是一种不带电的次原子粒子。比太阳体积、亮度都大得多的恒星,在耗尽热核燃料之后,会发生剧烈的超新星爆炸,形成中子星。恒星的外层被炸到太空中,核心则向内塌缩,形成与旧金山市大小类似,但质量至少有太阳那么大的球体。这种恒星的自转速度非常快,是除了黑洞之外,密度最大的天体:约略方糖大小的体积,就重达约10亿公吨。

哇,听起很狂啊!

对,而且还有更奇怪的。

之所以说中子星已经死亡,是因为它们的核心已不再进行元素的核融合反应,因此也不会像太阳那样发光。但它们也没那么平静,中子星的磁场比地球磁场强了1015倍,重力场也比地球强了约1000亿倍。换句话说,如果你想平安无事的话,那就绝对不会想靠近任何一颗中子星。

如果中子星不发光,那怎么还看得到?

其实有好几种方法可以观察中子星。中子星是天文学上相当著名的发现。 50年前的8月,还是研究生的约瑟琳.贝尔.伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell),观测到天空中有个不起眼的小点发出无线电波脉冲。由于这个脉冲持续以规律的间隔传送,因此一开始,大家还以为这个天体可能和外星人有关。

后来,科学家发现原来这是颗中子星。有些中子星自转时,会发出聚焦的电磁辐射光束。当这些光束经过地球时,就会造成我们观测到的无线电波脉冲。这类中子星后来被称为脉冲星(pulsar)。除了无线电波之外,由于中子星的表面温度高达100万度左右,因此还会发出X射线。

为什么我们要关注这些致密的死星?

天文学家之所以研究这种怪异的天体,是为了验证物理学上一些非常基础的概念。说得更清楚点,相互碰撞的中子星或许是宇宙中的「珠宝商」,创造了像黄金这类的贵金属。

美国加州大学圣克鲁兹分校的恩里科.拉米雷斯-鲁伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)介绍贵金属形成的过程时,是这么说的:中子星碰撞会释放出大量的中子,这些中子迅速地堆积在周围的重核上,形成比铁更重的元素,像是金、银和铂。这个过程称为快中子捕获过程(或是r过程)。中子星合并或是超新星爆炸,都会发生r过程,不过目前科学家认为,中子星合并时的回旋之舞,是宇宙中金元素的主要来源。一次中子星互撞事件,就能够产生等同于木星质量的金元素。

这些金属是怎么抵达地球(或是怎么到老板手表里的)?

拉米雷斯-鲁伊斯说,中子星合并过程中所产生的贵金属,最后会分散在宇宙中,就像混在饼干中的巧克力片那样。如果有一颗恒星恰巧在附近形成,那么诞生新恒星的气体云里,就会有这些金或铂,从这些云气所形成的恒星和行星,当然也就有这些贵金属了。

由于最早期的地球是一团颤动融熔的物质,一开始的金原子都沉入了核心。之后撞击地球的小行星,又带来了更多黄金,将这些珍贵闪亮的金属撒在地壳上。
 好吧,为什么我们要在意能不能实际看到中子星碰撞?

其中一个原因是,刚刚我们说中子星碰撞是宇宙贵金属来源的理论,仍然有些争议。尽管物理学原理说得通,但这个说法却颠覆了过去长久以来认为宇宙中大多数黄金源自于超新星的理论。

如果我们能亲眼目睹中子星碰撞的过程,或许有助于平息这场争论,因为r过程应该是能够观测到的。科学家可以使用美国航太总署(NASA)的史毕哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope)这类的红外望远镜,观测碰撞过程,寻找元素形成的迹象。这样的观测或许还能知道中子星碰撞合体后,究竟会形成什么样的天体?可能会是黑洞,或由某些奇特形态物质所构成的短命恒星。

为什么我们会认为LIGO已经观测到了中子星合并?

其实不需要花太多时间关注流言蜚语,现在已经有公开的(间接)证据表示,LIGO团队探测到了一个重力波讯号,而且可以用不同的电磁波长观测这个讯号,这恰好是中子星合并时所应该发生的现象。

从两个星期前开始,地球上和太空中的许​​多望远镜都迅速转向,观察NGC4993星系在8月17日发生短伽玛射线爆之后发生的现象。这次的伽玛射线爆称为GRB170817A,刚好就是科学家预测两颗中子星碰撞后会发生的事情。

哈伯太空望远镜和钱卓X射线天文台(Chandra X-Ray Observatory)的观测纪录也清楚显示,它们正在探测重力波和GRB170817A。欧洲南天天文台(European Southern Observatory)的几架望远镜,也朝着天空中的同一点进行观测。

但在正式宣布之前,LIGO团队还是希望能够尽可能确认这个重力波信号是真的,并确定这次的重力波和伽玛射线爆都是源自于同一个天体。这需要花些时间。

LIGO团队的发言人,麻省理工学院的大卫.修梅克(David Shoemaker)说:「我们真的很希望能搞清楚收集到的资料,并确保我们对公布的消息有把握。若是在此时发布更多消息,很有可能需要在未来几个星期撤回或修正。我们正在尽快努力!」




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