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Nov. 02 2017

全宇宙金銀財寶的誕生,竟然得靠中子星互撞!?

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  • 全宇宙金銀財寶的誕生,竟然得靠中子星互撞!?

過去天文學家一直對宇宙中金、銀究竟起源於何處而爭論不休,這項驚人發現總算提供了解答。

在這張想像圖中,兩顆中子星互相碰撞,產生稱為「千倍新星」(kilonova)的爆炸事件。天文學家在2017年10月16日宣布,證實首度目睹這種爆發事件,並偵測到產生稱為「重力波」的時空漣漪。
ILLUSTRATION BY ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE

在大約1億3000萬年前,兩顆死亡恆星產生猛烈撞擊,引發了一連串事件,讓地球上的天文學家在過去兩個月裡,陷入了幾近狂熱的狀態。今年10月16日,科學家在世界各地舉行的新聞發表會上,宣布首度偵測到兩顆中子星互相撞擊所產生的重力波。

1916年,愛因斯坦首先提出重力波的概念,他認為極端劇烈的宇宙事件,會造成時空的結構扭曲。在這次中子星合併事件之前,所有已證實的重力波都是源自於黑洞合併,但卻沒有留下任何肉眼可見的線索。

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↑↑↑↑↑重力波是什麼?能吃嗎?我們要如何偵測重力波?有時中子星互撞也會造成這樣的時空漣漪,最近雷射干涉重力波天文臺(LIGO)和室女座重力波團隊(Virgo)就觀測到這樣破天荒的事件。

但是,在這次最新的事件中,團隊中的天文學家利用坐落在70個天文臺內約一百項不同儀器,以各種不同的波長追蹤觀測這起毀滅性事件,讓天文學家首度能夠檢驗這些宇宙漣漪的來源。

「我們看到了人類先前從未見過的全新現象,」加州大學聖芭芭拉分校的安迪.霍威爾(Andy Howell)表示:「這實在太令人驚喜,因為這輩子可能碰不到第二次了。」

和黑洞互撞不同,中子星碰撞所產生的碎片會放出望遠鏡能夠觀測到的放射性金屬殘骸,但前提是你得知道何時該往何處看。霍威爾的團隊和其他幾個團隊,共同追蹤了產生重力波訊號的恆星,他如此表示:「當兩個中子星合併時,整個宇宙都為之震動,這讓我們知道要把望遠鏡指向哪裡。」

最後,共有約3500名科學家參與了重力波偵測和之後的天文物理驗證,10月16日當天,就有40篇與這項龐大計畫相關的論文發表在《科學》《物理評論通訊》等科學期刊上。

這些觀測結果讓天文學家得以驗證一些存在已久的物理學理論,也解決了關於宇宙中金、銀等重金屬來源的爭議。這些新發現,全都得拜最近新興的重力波天文學之賜。

10月16日在華盛頓特區舉行的新聞發表會上,美國西北大學的維奇.卡洛格拉(Vicky Kalogera)表示:「這不但是我們第一次聽到兩顆中子星的死亡螺旋,也看到最終合併所產生的煙火。」

重力波難觀測

其實早在1974年,人類就首度發現重力波存在的間接證據,但是接下來的幾十年裡,我們一直無法掌握重力波的真實面貌,因為重力波對地球所造成的時空扭曲實在太小,尺度僅有原子核直徑的幾分之一。

為了偵測到宇宙中如此微小的波動,科學家建立了雷射干涉重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,簡稱LIGO)。當重力波通過地球時,天文臺位在兩地的偵測器能夠分別利用雷射測量成對面鏡間的距離變化。現在,歐洲Virgo的第三個偵測器,也利用同樣的原理來偵測重力波。

這張全天圖顯示目前已獲證實的重力波,以及一次可能是重力波的事件。環帶表示發生時空波動的所在,數字則表示偵測日期,像是最近的一次事件GW170817,就是在2017年8月17日偵測到的。
ILLUSTRATION BY LIGO/VIRGO/NASA/LEO SINGER/AXEL MELLINGER

LIGO的科學家在2016年初,宣布一項重大發現:他們總算利用非常敏銳的儀器,探測到了重力波。在這之後,LIGO又確認了三次重力波事件,這幾次重力波都是由黑洞合併所引起的。領導這個團隊的科學家,也因此獲得2017年的諾貝爾物理學獎。

今年8月17日凌晨,LIGO偵測到了新訊號。重力波壓縮了鏡面間的距離,訊號顯示這次重力波並不是源自於黑洞,而是由死亡恆星合併所造成。

在探測器接收到重力波訊號的兩秒鐘後,美國航太總署(NASA)的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope),在同一個天區捕捉到持續不到兩秒的短暫伽瑪射線訊號,看起來像是一次短伽瑪射線爆──科學家認為這類事件是由中子星互撞所產生的。

這難道是巧合嗎?LIGO和Virgo可不這麼想。他們立刻通報全世界的天文學家,表示如果天文臺能夠盡快進行觀測,或許就能搜尋到中子星相互碰撞產生的殘骸,這也是首度能夠觀察到重力波產生之後的情形。這個訊息立刻引起全球眾多團隊進行後續觀測,大家都非常希望能幫忙拼湊出這塊宇宙難題的全貌。但首先最關鍵的是,他們得知道要把這些昂貴的望遠鏡指向何處。

與星共舞

加州大學聖克魯茲分校的博士後研究員查理.吉爾派翠克(Charlie Kilpatrick),和同事在收到重力波和伽瑪射線的觀測通知後,馬上從發出訊號的天區中,篩選出大量星系,試圖找出訊號來源。

他們利用一座位於智利的普通小望遠鏡,打算在夜幕一降臨時,就將望遠鏡逐一指向篩選出的星系,尋找是否有不尋常的訊號。但是他們得抓緊時間,因為那個天區只有一到兩個小時的觀測時間,之後就會沉入地平線下而無法觀測。

左圖是哈伯太空望遠鏡在偵測到重力波的四個月前,拍攝到的NGC 4993橢圓星系影像。而右圖是智利斯沃普望遠鏡(Swope Telescope)在2017年8月所拍攝的影像,可以看到在星系中出現了一個亮點。
PHOTOGRAPH BY HUBBLE/STSCI (LEFT) AND PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY (RIGHT)

在LIGO和Virgo送出通報後約十個小時,吉爾派翠克在他們觀測的第五個星系中,發現了一個從未見過的亮點,而這個訊號代表此處一定有什麼不尋常的大事發生,這讓他們非常興奮。於是他們送出電報通告這個大發現,在42分鐘內,包括霍威爾在內的其他五個團隊,也都將望遠鏡瞄準這個星系。吉爾派翠克表示,「我有點慢才反應過來,了解這件事有多麼重要。」

在接下來的幾天裡,有一大堆天文臺一起加入這場盛會。在接下來的幾個星期內,橢圓星系NGC 4993邊緣的重力波源,成了天空中最受矚目的焦點。

在那片天區裡,有兩顆中子星互繞旋轉了很長一段時間,令人窒息的舞蹈在一瞬間以劇烈的死亡告終。經過數百萬年的致命共舞,它們以極度激烈的方式邁向死亡,因而扭曲了時空的結構,產生的重力波以光速向外傳遍整個宇宙,最後就連地球也接收到了它們的死訊。

大爆炸理論

幸虧觀測工作迅速進行,科學家才能夠利用從無線電波到伽瑪射線等各個電磁光譜的波段,來研究這次的爆發現象。

這次的中子星合併事件,也解決了長久以來週期表中重元素起源的爭論,像是金、鉑等貴重金屬,以及科學家用來製造LIGO中雷射的釹元素。長久以來,科學家認為這些金屬主要是由大質量恆星死亡爆炸時,由內部產生的。但最近的研究顯示,這些超新星爆發所釋放出的金屬量,不足以解釋我們在宇宙中所觀察到的金屬豐度。

要產生這些元素得需要大量的中子(原子核的組成粒子之一)。而正如科學家所推測的那樣,中子星解體時會釋放出非常多的中子。

研究團隊利用紅外線研究爆炸事件,確定產生的碎屑至少含有相當於10000個地球質量的貴重金屬,這樣就足以解釋我們在宇宙中觀測到的豐度了。

「這類事件可以解釋目前宇宙中的所有黃金和重元素含量,」加州大學聖克魯茲分校的恩里科.拉米雷斯-魯伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)表示,「這次的觀測資料不論是在數量或品質上,都讓人驚歎,這一切實在太美了!」

然而,這整個故事的其他部分,仍然籠罩在神祕的面紗下。首先,我們不清楚兩顆中子星互撞之後,究竟會形成什麼樣的天體,只知道碰撞後留下來的殘骸質量相當於2.6個太陽。

美國亞利桑那大學的費亞爾.歐澤(Feryal Ozel)表示,考量到這個質量,以及碰撞的是中子星,他們認為留下來的殘骸應該會是個黑洞。另一個不太可能的結果,是異常的超大質量中子星,但這並不符合科學家對中子星物理學的認識。

藝術家想像圖:兩顆中子星互繞旋轉,迎向死亡時所產生的時空漣漪。
ILLUSTRATION BY NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET

還有更怪的……

無論碰撞後的產生的天體是什麼,這次碰撞所留下的殘骸,讓我們對宇宙最緻密的天體產生了許多疑惑。「從來沒有人觀測過相當於二到五個太陽質量的中子星或者黑洞。」加州理工學院的亞倫.韋恩斯坦(Alan Weinstein)如此表示,他也是LIGO的團隊成員。

天文學家利用智利的斯沃普和麥哲倫(Magellan)望遠鏡,記錄了這次的中子星爆炸。在可見光波段下,可以看到有個亮點突然出現,然後逐漸黯淡下來。在大約七天後,可見光波段已無法偵測到這個亮點。
PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY

此外,這次爆炸和接下來發生的事件,和科學家的預測有些不同。加州理工學院的曼西.卡斯利瓦爾(Mansi Kasliwal)說,和之前的類似事件比起來,這次的伽瑪射線爆微弱多了。另外在爆發後,X射線和無線電波抵達探測器的時間,也比預期的時間要更晚。

加拿大麥基爾大學的達伊爾.哈加德(Daryl Haggard)和團隊成員,利用錢卓X射線天文臺觀測到了此次的中子星合併,他認為這表示爆炸產生的高速輻射噴流,可能不是直接對準地球而來,而是有點偏離軸心。或者,這可能代表事情比我們想像的更為複雜。卡斯利瓦爾認為,爆炸拋出的高能碎屑團塊,可能阻礙了最初產生的噴流。科學家認為在接下來很長的一段時間內,都還能以無線電波進行觀測,他們希望觀測結果能幫助解答這個疑問。

「雖然無線電比較晚才參加這場盛會,但它們也將最晚離開──而且還帶著禮物而來!」加州理工學院的格雷格.哈利南(Gregg Hallinan)這麼說。

但是現在這個星系在天空上的位置非常接近太陽,對一些望遠鏡來說,要觀測它實在太過危險。因此我們得要再等上一陣子,才能進行更多觀測。等太陽的光輝稍微遠離之後,我們將再度轉動望遠鏡,瞄準碰撞後留下的最後一點餘光。

當然在此同時,天文學家也會舉杯慶祝他們的好運氣,畢竟這是首度能對中子星互撞合併後的爆發,有這麼詳盡的觀測資料。

卡内基天文臺(Carnegie Observatories)的瑪莉亞.卓特(Maria Drout)說,「這個天體發生爆炸的時間是在1億3000萬年前,但只要再晚一個月,重力波的偵測器將會關機,天體在天空中的位置也會移動到太陽後方,我們就根本無法偵測到這次事件了。」

撰文:Nadia Drake

延伸閱讀>>百年漫長等待:重力波偵測,獲2017諾貝爾物理獎  / 宇宙中的黃金是怎麼來的?問問最新的重力波吧

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