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首度探测到两颗中子星撞击产生的重力波——宇宙中金、银等贵金属的起源有了答案

   在这张想像图中,两颗中子星互相碰撞,产生称为「千倍新星」(kilonova)的爆炸事件。天文学家在2017年10月16日宣布,证实首度目睹这种爆发事件,并侦测到

在这张想像图中,两颗中子星互相碰撞,产生称为「千倍新星」(kilonova)的爆炸事件。天文学家在2017年10月16日宣布,证实首度目睹这种爆发事件,并侦测到产生称为「重力波」的时空涟漪。 ILLUSTRATION BY ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE

天文学家首度探测到两颗中子星互相撞击所产生的重力波

天文学家首度探测到两颗中子星互相撞击所产生的重力波

这张全天图显示目前已获证实的重力波,以及一次可能是重力波的事件。环带表示发生时空波动的所在,数字则表示侦测日期,像是最近的一次事件GW170817,就是在201

这张全天图显示目前已获证实的重力波,以及一次可能是重力波的事件。环带表示发生时空波动的所在,数字则表示侦测日期,像是最近的一次事件GW170817,就是在2017年8月17日侦测到的。 ILLUSTRATION BY LIGO/VIRGO/NASA/LEO SINGER/AXEL MELLINGER

左图是哈勃太空望远镜在侦测到重力波的四个月前,拍摄到的NGC 4993椭圆星系影像。而右图是智利斯沃普望远镜(Swope Telescope)在2017年8月所

左图是哈勃太空望远镜在侦测到重力波的四个月前,拍摄到的NGC 4993椭圆星系影像。而右图是智利斯沃普望远镜(Swope Telescope)在2017年8月所拍摄的影像,可以看到在星系中出现了一个亮点。 PHOTOGRAPH BY HUBBLE/STSCI (LEFT) AND PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY (RIGHT)

艺术家想像图:两颗中子星互绕旋转,迎向死亡时所产生的时空涟漪。 ILLUSTRATION BY NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY

艺术家想像图:两颗中子星互绕旋转,迎向死亡时所产生的时空涟漪。 ILLUSTRATION BY NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET

天文学家利用智利的斯沃普和麦哲伦(Magellan)望远镜,记录了这次的中子星爆炸。在可见光波段下,可以看到有个亮点突然出现,然后逐渐黯淡下来。在大约七天后,可

天文学家利用智利的斯沃普和麦哲伦(Magellan)望远镜,记录了这次的中子星爆炸。在可见光波段下,可以看到有个亮点突然出现,然后逐渐黯淡下来。在大约七天后,可见光波段已无法侦测到这个亮点。 PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY


视频:重力波是什么?能吃吗?我们要如何侦测重力波?有时中子星互撞也会造成这样的时空涟漪,最近镭射干涉重力波天文台(LIGO)和室女座重力波团队(Virgo)就观测到这样破天荒的事件。

(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):过去天文学家一直对宇宙中金、银究竟起源于何处而争论不休,这项惊人发现总算提供了解答。

在大约1亿3000万年前,两颗死亡恒星产生猛烈撞击,引发了一连串事件,让地球上的天文学家在过去两个月里,陷入了几近狂热的状态。今年10月16日,科学家在世界各地举行的新闻发表会上,宣布首度侦测到两颗中子星互相撞击所产生的重力波。

1916年,爱因斯坦首先提出重力波的概念,他认为极端剧烈的宇宙事件,会造成时空的结构扭曲。在这次中子星合并事件之前,所有已证实的重力波都是源自于黑洞合并,但却没有留下任何肉眼可见的线索。

但是,在这次最新的事件中,团队中的天文学家利用坐落在70个天文台内约一百项不同仪器,以各种不同的波长追踪观测这起毁灭性事件,让天文学家首度能够检验这些宇宙涟漪的来源。

「我们看到了人类先前从未见过的全新现象,」加州大学圣芭芭拉分校的安迪.霍威尔(Andy Howell)表示:「这实在太令人惊喜,因为这辈子可能碰不到第二次了。」

和黑洞互撞不同,中子星碰撞所产生的碎片会放出望远镜能够观测到的放射性金属残骸,但前提是你得知道何时该往何处看。霍威尔的团队和其他几个团队,共同追踪了产生重力波讯号的恒星,他如此表示:「当两个中子星合并时,整个宇宙都为之震动,这让我们知道要把望远镜指向哪里。」

最后,共有约3500名科学家参与了重力波侦测和之后的天文物理验证,10月16日当天,就有40篇与这项庞大计画相关的论文发表在《科学》及《物理评论通讯》等科学期刊上。

这些观测结果让天文学家得以验证一些存在已久的物理学理论,也解决了关于宇宙中金、银等重金属来源的争议。这些新发现,全都得拜最近新兴的重力波天文学之赐。

10月16日在华盛顿特区举行的新闻发表会上,美国西北大学的维奇.卡洛格拉(Vicky Kalogera)表示:「这不但是我们第一次听到两颗中子星的死亡螺旋,也看到最终合并所产生的烟火。」

重力波难观测

其实早在1974年,人类就首度发现重力波存在的间接证据,但是接下来的几十年里,我们一直无法掌握重力波的真实面貌,因为重力波对地球所造成的时空扭曲实在太小,尺度仅有原子核直径的几分之一。

为了侦测到宇宙中如此微小的波动,科学家建立了镭射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,简称LIGO)。当重力波通过地球时,天文台位在两地的侦测器能够分别利用镭射测量成对面镜间的距离变化。现在,欧洲Virgo的第三个侦测器,也利用同样的原理来侦测重力波。

LIGO的科学家在2016年初,宣布一项重大发现:他们总算利用非常敏锐的仪器,探测到了重力波。在这之后,LIGO又确认了三次重力波事件,这几次重力波都是由黑洞合并所引起的。领导这个团队的科学家,也因此获得2017年的诺贝尔物理学奖。

今年8月17日凌晨,LIGO侦测到了新讯号。重力波压缩了镜面间的距离,讯号显示这次重力波并不是源自于黑洞,而是由死亡恒星合并所造成。

在探测器接收到重力波讯号的两秒钟后,美国航太总署(NASA)的费米伽玛射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope),在同一个天区捕捉到持续不到两秒的短暂伽玛射线讯号,看起来像是一次短伽玛射线爆──科学家认为这类事件是由中子星互撞所产生的。

这难道是巧合吗? LIGO和Virgo可不这么想。他们立刻通报全世界的天文学家,表示如果天文台能够尽快进行观测,或许就能搜寻到中子星相互碰撞产生的残骸,这也是首度能够观察到重力波产生之后的情形。这个讯息立刻引起全球众多团队进行后续观测,大家都非常希望能帮忙拼凑出这块宇宙难题的全貌。但首先最关键的是,他们得知道要把这些昂贵的望远镜指向何处。

与星共舞

加州大学圣克鲁兹分校的博士后研究员查理.吉尔派翠克(Charlie Kilpatrick),和同事在收到重力波和伽玛射线的观测通知后,马上从发出讯号的天区中,筛选出大量星系,试图找出讯号来源。

他们利用一座位于智利的普通小望远镜,打算在夜幕一降临时,就将望远镜逐一指向筛选出的星系,寻找是否有不寻常的讯号。但是他们得抓紧时间,因为那个天区只有一到两个小时的观测时间,之后就会沉入地平线下而无法观测。

在LIGO和Virgo送出通报后约十个小时,吉尔派翠克在他们观测的第五个星系中,发现了一个从未见过的亮点,而这个讯号代表此处一定有什么不寻常的大事发生,这让他们非常兴奋。于是他们送出电报通告这个大发现,在42分钟内,包括霍威尔在内的其他五个团队,也都将望远镜瞄准这个星系。吉尔派翠克表示,「我有点慢才反应过来,了解这件事有多么重要。」

在接下来的几天里,有一大堆天文台一起加入这场盛会。在接下来的几个星期内,椭圆星系NGC 4993边缘的重力波源,成了天空中最受瞩目的焦点。

在那片天区里,有两颗中子星互绕旋转了很长一段时间,令人窒息的舞蹈在一瞬间以剧烈的死亡告终。经过数百万年的致命共舞,它们以极度激烈的方式迈向死亡,因而扭曲了时空的结构,产生的重力波以光速向外传遍整个宇宙,最后就连地球也接收到了它们的死讯。

大爆炸理论

幸亏观测工作迅速进行,科学家才能够利用从无线电波到伽玛射线等各个电磁光谱的波段,来研究这次的爆发现象。

这次的中子星合并事件,也解决了长久以来周期表中重元素起源的争论,像是金、铂等贵重金属,以及科学家用来制造LIGO中镭射的钕元素。长久以来,科学家认为这些金属主要是由大质量恒星死亡爆炸时,由内部产生的。但最近的研究显示,这些超新星爆发所释放出的金属量,不足以解释我们在宇宙中所观察到的金属丰度。

要产生这些元素得需要大量的中子(原子核的组成粒子之一)。而正如科学家所推测的那样,中子星解体时会释放出非常多的中子。

研究团队利用红外线研究爆炸事件,确定产生的碎屑至少含有相当于10000个地球质量的贵重金属,这样就足以解释我们在宇宙中观测到的丰度了。

「这类事件可以解释目前宇宙中的所有黄金和重元素含量,」加州大学圣克鲁兹分校的恩里科.拉米雷斯-鲁伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)表示,「这次的观测资料不论是在数量或品质上,都让人惊叹,这一切实在太美了!」

然而,这整个故事的其他部分,仍然笼罩在神秘的面纱下。首先,我们不清楚两颗中子星互撞之后,究竟会形成什么样的天体,只知道碰撞后留下来的残骸质量相当于2.6个太阳。

美国亚利桑那大学的费亚尔.欧泽(Feryal Ozel)表示,考量到这个质量,以及碰撞的是中子星,他们认为留下来的残骸应该会是个黑洞。另一个不太可能的结果,是异常的超大质量中子星,但这并不符合科学家对中子星物理学的认识。

还有更怪的……

无论碰撞后的产生的天体是什么,这次碰撞所留下的残骸,让我们对宇宙最致密的天体产生了许多疑惑。 「从来没有人观测过相当于二到五个太阳质量的中子星或者黑洞。」加州理工学院的亚伦.韦恩斯坦(Alan Weinstein)如此表示,他也是LIGO的团队成员。

此外,这次爆炸和接下来发生的事件,和科学家的预测有些不同。加州理工学院的曼西.卡斯利瓦尔(Mansi Kasliwal)说,和之前的类似事件比起来,这次的伽玛射线爆微弱多了。另外在爆发后,X射线和无线电波抵达探测器的时间,也比预期的时间要更晚。

加拿大麦基尔大学的达伊尔.哈加德(Daryl Haggard)和团队成员,利用钱卓X射线天文台观测到了此次的中子星合并,他认为这表示爆炸产生的高速辐射喷流,可能不是直接对准地球而来,而是有点偏离轴心。或者,这可能代表事情比我们想像的更为复杂。卡斯利瓦尔认为,爆炸抛出的高能碎屑团块,可能阻碍了最初产生的喷流。科学家认为在接下来很长的一段时间内,都还能以无线电波进行观测,他们希望观测结果能帮助解答这个疑问。

「虽然无线电比较晚才参加这场盛会,但它们也将最晚离开──而且还带着礼物而来!」加州理工学院的格雷格.哈利南(Gregg Hallinan)这么说。

但是现在这个星系在天空上的位置非常接近太阳,对一些望远镜来说,要观测它实在太过危险。因此我们得要再等上一阵子,才能进行更多观测。等太阳的光辉稍微远离之后,我们将再度转动望远镜,瞄准碰撞后留下的最后一点余光。

当然在此同时,天文学家也会举杯庆祝他们的好运气,毕竟这是首度能对中子星互撞合并后的爆发,有这么详尽的观测资料。

卡内基天文台(Carnegie Observatories)的玛莉亚.卓特(Maria Drout)说,「这个天体发生爆炸的时间是在1亿3000万年前,但只要再晚一个月,重力波的侦测器将会关机,天体在天空中的位置也会移动到太阳后方,我们就根本无法侦测到这次事件了。」




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