如果觀測到兩顆中子星合併的傳言屬實,那麼我們或許就會知道銀河系的黃金是否源自於此。

時空漣漪
在這張插圖中,兩顆即將相撞的中子星,互繞旋轉越靠越近,產生了時空的漣漪。
ILLUSTRATION BY NASA

在8月底舉行的一場天文會議上,天文學家熱烈討論,等不及聽到關於兩顆奇異的死亡恆星可能互撞的研究報告。如果傳言屬實,那麼科學家或許已經首度偵測到了兩顆中子星發生劇烈合併時,所產生的時空漣漪。

這種時空中的漣漪,稱為重力波。雷射干涉重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)的科學團隊在2015年首度直接偵測到重力波。那次事件和後來兩次偵測到的重力波(信號都已獲證實),都是由兩個黑洞碰撞所產生的。

這次,天文學家可能偵測到了兩顆恆星互繞旋轉,最終碰撞合併時所產生的重力波,這樣的結合似乎在宇宙中留下了歷久不衰的印跡,許多科學團隊競相使用地球上最先進的儀器進行觀測。

(↑↑↑↑↑重力波的發現可以說為天文學開啟了一個新的時代,這段影片介紹了這種時空漣漪的種種知識。)

LIGO團隊和歐洲的處女座(Virgo)偵測器團隊在8月25日宣布,最近一次尋找時空漣漪的觀測結束了,但他們只發現了一些「很有可能是重力波的事件」。現在我們只能等待這兩個團隊在檢驗並確認數據後,公布最後的結果。

LIGO或許觀測到了恆星死亡之舞的最終階段,這樣的可能性讓我們不禁想問:我們對中子星了解多少?為何我們要關注中子星?

中子星究竟是什麼?

顧名思義,中子星幾乎全部由中子構成,這是一種不帶電的次原子粒子。比太陽體積、亮度都大得多的恆星,在耗盡熱核燃料之後,會發生劇烈的超新星爆炸,形成中子星。恆星的外層被炸到太空中,核心則向內塌縮,形成與舊金山市大小類似,但質量至少有太陽那麼大的球體。這種恆星的自轉速度非常快,是除了黑洞之外,密度最大的天體:約略方糖大小的體積,就重達約10億公噸。

哇,聽起很狂啊!

對,而且還有更奇怪的。

之所以說中子星已經死亡,是因為它們的核心已不再進行元素的核融合反應,因此也不會像太陽那樣發光。但它們也沒那麼平靜,中子星的磁場比地球磁場強了1015倍,重力場也比地球強了約1000億倍。換句話說,如果你想平安無事的話,那就絕對不會想靠近任何一顆中子星。

如果中子星不發光,那怎麼還看得到?

其實有好幾種方法可以觀察中子星。中子星是天文學上相當著名的發現。50年前的8月,還是研究生的約瑟琳.貝爾.伯奈爾(Jocelyn Bell Burnell),觀測到天空中有個不起眼的小點發出無線電波脈衝。由於這個脈衝持續以規律的間隔傳送,因此一開始,大家還以為這個天體可能和外星人有關。

後來,科學家發現原來這是顆中子星。有些中子星自轉時,會發出聚焦的電磁輻射光束。當這些光束經過地球時,就會造成我們觀測到的無線電波脈衝。這類中子星後來被稱為脈衝星(pulsar)。除了無線電波之外,由於中子星的表面溫度高達100萬度左右,因此還會發出X射線。

為什麼我們要關注這些緻密的死星?

天文學家之所以研究這種怪異的天體,是為了驗證物理學上一些非常基礎的概念。說得更清楚點,相互碰撞的中子星或許是宇宙中的「珠寶商」,創造了像黃金這類的貴金屬。

美國加州大學聖克魯茲分校的恩里科.拉米雷斯-魯伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)介紹貴金屬形成的過程時,是這麼說的:中子星碰撞會釋放出大量的中子,這些中子迅速地堆積在周圍的重核上,形成比鐵更重的元素,像是金、銀和鉑。這個過程稱為快中子捕獲過程(或是r過程)。中子星合併或是超新星爆炸,都會發生r過程,不過目前科學家認為,中子星合併時的迴旋之舞,是宇宙中金元素的主要來源。一次中子星互撞事件,就能夠產生等同於木星質量的金元素。

這些金屬是怎麼抵達地球(或是怎麼到老闆手錶裡的)?

拉米雷斯-魯伊斯說,中子星合併過程中所產生的貴金屬,最後會分散在宇宙中,就像混在餅乾中的巧克力片那樣。如果有一顆恆星恰巧在附近形成,那麼誕生新恆星的氣體雲裡,就會有這些金或鉑,從這些雲氣所形成的恆星和行星,當然也就有這些貴金屬了。

由於最早期的地球是一團顫動融熔的物質,一開始的金原子都沉入了核心。之後撞擊地球的小行星,又帶來了更多黃金,將這些珍貴閃亮的金屬撒在地殼上。

 好吧,為什麼我們要在意能不能實際看到中子星碰撞?

其中一個原因是,剛剛我們說中子星碰撞是宇宙貴金屬來源的理論,仍然有些爭議。儘管物理學原理說得通,但這個說法卻顛覆了過去長久以來認為宇宙中大多數黃金源自於超新星的理論。

如果我們能親眼目睹中子星碰撞的過程,或許有助於平息這場爭論,因為r過程應該是能夠觀測到的。科學家可以使用美國航太總署(NASA)的史畢哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)這類的紅外望遠鏡,觀測碰撞過程,尋找元素形成的跡象。這樣的觀測或許還能知道中子星碰撞合體後,究竟會形成什麼樣的天體?可能會是黑洞,或由某些奇特形態物質所構成的短命恆星。

為什麼我們會認為LIGO已經觀測到了中子星合併?

其實不需要花太多時間關注流言蜚語,現在已經有公開的(間接)證據表示,LIGO團隊探測到了一個重力波訊號,而且可以用不同的電磁波長觀測這個訊號,這恰好是中子星合併時所應該發生的現象。

從兩個星期前開始,地球上和太空中的許多望遠鏡都迅速轉向,觀察NGC4993星系在8月17日發生短伽瑪射線爆之後發生的現象。這次的伽瑪射線爆稱為GRB170817A,剛好就是科學家預測兩顆中子星碰撞後會發生的事情。

哈伯太空望遠鏡和錢卓X射線天文臺(Chandra X-Ray Observatory)的觀測紀錄也清楚顯示,它們正在探測重力波和GRB170817A。歐洲南天天文臺(European Southern Observatory)的幾架望遠鏡,也朝著天空中的同一點進行觀測。

但在正式宣布之前,LIGO團隊還是希望能夠盡可能確認這個重力波信號是真的,並確定這次的重力波和伽瑪射線爆都是源自於同一個天體。這需要花些時間。

LIGO團隊的發言人,麻省理工學院的大衛.修梅克(David Shoemaker)說:「我們真的很希望能搞清楚收集到的資料,並確保我們對公布的消息有把握。若是在此時發布更多消息,很有可能需要在未來幾個星期撤回或修正。我們正在盡快努力!」

撰文:Nadia Drake

編譯:胡佳伶

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