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Aug. 28 2019

神秘重力波顯示,我們可能首度目擊黑洞吞噬死亡恆星

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  • 這張藝術家的想像圖描繪出黑洞吞噬中子星的情景。中子星繞著黑洞旋轉,黑洞巨大的重力將中子星撕成碎片,這種現象稱為「潮汐力崩解」(tidal disruption)。ILLUSTRATION BY DANA BERRY, NASA

時空結構傳來的陣陣漣漪,可能首次揭露了一種宇宙中發生的碰撞事件。

這張藝術家的想像圖描繪出黑洞吞噬中子星的情景。中子星繞著黑洞旋轉,黑洞巨大的重力將中子星撕成碎片,這種現象稱為「潮汐力崩解」(tidal disruption)。ILLUSTRATION BY DANA BERRY, NASA

這張藝術家的想像圖描繪出黑洞吞噬中子星的情景。中子星繞著黑洞旋轉,黑洞巨大的重力將中子星撕成碎片,這種現象稱為「潮汐力崩解」(tidal disruption)。ILLUSTRATION BY DANA BERRY, NASA

大約9億年前,有個黑洞打了個響徹宇宙的恐怖飽嗝,所產生的時空漣漪在今年8月14日傳到了地球,不僅讓我們得知一種先前從未見過的宇宙碰撞,還有可能揭開宇宙運作的新奧秘。

這次所偵測到的事件名為S190814bv,很可能是由黑洞與中子星這些恆星爆炸後密度超高的剩餘物,合併時引發的重力波訊號。雖然天文學家一直覺得應該會有黑洞-中子星這樣的雙星系統存在,但使用各種波長的望遠鏡搜尋天空之後,卻仍一無所獲。

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不過,天文學家也很期待能偵測到黑洞與中子星合併所產生的重力波。早在一百多年前,愛因斯坦(Einstein)的廣義相對論就預測了這種時空漣漪的存在,他認為若是兩個質量極大的天體相撞,將會讓宇宙的結構產生皺褶。

2015年,人類首度偵測到重力波,當時的雷射干涉重力波天文臺(LIGO)觀測到了兩個黑洞合而為一所發出的訊號。之後,LIGO和歐洲同類型的Virgo天文臺也陸續又偵測到了黑洞合併及兩顆中子星互撞的訊號。而這次LIGO和Virgo都偵測到的S190814bv事件,如果確認是中子星-黑洞合併的話,那就會是人類所探測到第三種重力波。

↑↑↑↑↑科學教室:重力波

探測裝置在今年4月26日也曾經接收到可能為中子星-黑洞的合併訊號,但研究人員表示這次所偵測到的S190814bv事件的真實性更高。4月份所偵測到訊號有七分之一的機率是來自地球的噪音,而且估計每隔20個月就會出現一次類似的假警報。但S190814bv事件幾乎確定來自於地球以外,而且根據雷射干涉重力波天文臺團隊的估計,要發生與此訊號類似的假警報,所需等待的時間恐怕比宇宙年齡還要更長。

「這個訊號尤其讓人興奮不已,」雷射干涉重力波天文臺團隊成員、美國西北大學(Northwestern University)物理學家克里斯多福.貝瑞(Christopher Berry)這麼說,「它很可能是真實的訊號,這表示很值得投入更多的時間和精力。」

宇宙碎紙機

LIGO和Virgo還追蹤S190814bv的起源範圍,將其縮小到一片比滿月大11倍的橢圓形天區,讓望遠鏡得以進行後續觀測,尋找反常的閃光。來自全球各地的地面和地球軌道上的望遠鏡也暫停先前排定的常規觀測計畫加入搜索,並即時公布第一手的觀測結果。

「這實在太讓人興奮了!」美國航太總署(NASA)雨燕(Swift)望遠鏡的天文臺值班科學家艾倫.托胡瓦沃胡(Aaron Tohuv​​avohu)如此表示,他一直在這片重力波來源天區內,尋找X射線和紫外線的閃光訊號,「我一整晚都沒睡覺,而且樂此不疲。」

如果雨燕和其他望遠鏡真的能夠觀測到LIGO和Virgo所偵測撞擊的餘暉,對天文學界來說會是件非比尋常的大事。因為,光線能讓科學家得以首度一窺中子星內部的情形,並可能以新的方式來檢驗相對論的極限。

雷射干涉重力波天文臺團隊成員、美國西北大學物理學家維基.凱洛格拉(Vicky Kalogera)表示:「對理論學家來說,那將是美妙無比、像在作夢一樣的時刻。」

但是,望遠鏡也可能什麼也看不到。根據目前的理論預測,中子星和黑洞碰撞並不一定會產生光線,而是得取決於兩個天體的質量比。

如果黑洞與中子星的質量愈接近,中子星旋轉繞進黑洞所需的時間就愈長。兩個天體彼此環繞的距離也就愈近,使得黑洞更有可能以重力撕裂中子星。在中子星的熾熱碎屑掉入黑洞之前,會產生望遠鏡能夠偵測到的光線。

但如果黑洞的質量比中子星大得多,那它就能不費吹灰之力地吞噬整顆中子星,如此一來就不會發出任何光線。凱洛格拉表示,科學家仍然在分析S190814bv的訊號,計算黑洞質量的可能範圍,以釐清這次事件的狀況。

判斷形勢

此外,還有一種比較奇怪的可能性,是S190814bv事件中較小的天體根本不是顆中子星。

在每一次天體碰撞中,LIGO和Virgo是以天體的估計質量分類合併事件。任何低於三倍太陽質量的天體都會被歸為中子星,而高於五倍太陽質量的則歸類為黑洞。在這次的狀況中,他們估計S190814bv事件中較小的天體質量小於三倍太陽質量。

雖然理論上可能有質量較小的黑洞存在,但迄今為止的X射線觀測仍尚未發現小質量黑洞存在的跡象。同樣地,目前對中子星的最佳理論顯示,如果中子星的質量大於兩倍太陽質量,就會坍縮成黑洞。那麼,會不會我們所觀測到的天體質量,就恰好介於三倍到五倍的太陽質量之間,而S190814bv事件中較小的天體其實就是個小型黑洞呢?

「這次事件可能帶給我們兩個謎題,」貝瑞表示:「中子星的最大質量是多少?而黑洞的最小質量又是多少?」

重力波的微妙特徵,或許能讓科學家弄清楚S190814bv中較小天體的身分。如果後續觀測真的能找到餘暉──凱洛格拉說這可能得要花上數週,那麼幾乎就能確認較小的天體是顆中子星了。

無論最終這個訊號究竟是什麼,這都將是史無前例的第一次。貝瑞說:「這是個雙贏的局面。」

延伸閱讀:再度發現重力波,揭露奇異黑洞!黑洞撞擊後的重力波──你需要知道什麼?

DEC. 2020

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