在這場宇宙級尋寶狂歡背後，地球人的天文探索終於迎來了新時代？

剛剛斬獲諾貝爾獎的LIGO（激光干涉引力波天文台）已經改變了天文學的世界。

當LIGO科學合作組織的科學家在2016年宣布他們首次探測到引力波時，這意味著他們找到了一種觀測宇宙的新方法。有史以來第一次，科學家得以「傾聽」由大型天體（比如黑洞）相互碰撞產生的時空漣漪。

但這一切只是開始。

科學家一直以來的夢想是，把引力波探測跟來自更加傳統的天文望遠鏡的觀測結果結合起來。

周一，通過發表在學術期刊《物理評論快報》（PRL）上的多篇論文，由世界各地數千位LIGO科學家組成的團隊發表了一項令人難以置信的研究發現。這些科學家不僅首次探測到了由兩顆相互碰撞的中子星所產生的引力波，而且他們得以藉助光學和射電望遠鏡找到它們在星空中的位置，成為這次天文事件的目擊者。

「這是你能想像的關於一次天體物理學事件最完整的故事之一。」來自雪城大學（Syracuse University）的LIGO物理學家彼得·索爾森（Peter Saulson）說道。

每個數據源都講述了這個故事不同的組成部分。

引力波會告訴物理學家天體有多大和有多遠，並讓科學家可以成功再現它們發生碰撞前的時刻。然後，通過可見光和電磁波獲得的觀測結果則能填補引力波無法回答的空白。這些觀測結果能夠幫助天文學家確認天體究竟由哪些物質構成，以及它們的碰撞產生了什麼元素。

就這次事件而言，科學家得出了以下結論：

中子星併合產生的爆炸能夠製造包括金、鉑和鈾在內的重金屬元素（科學家此前已經提出了這樣的理論，但未能通過直接觀測加以證實）。科學家得以直接目擊正在施展的宇宙鍊金術。

「我認為，這一發現的科學影響實際上要超過首次探測到黑洞碰撞所發出的引力波。」同樣來自雪城大學的LIGO科學合作組織成員鄧肯·布朗（Duncan Brown）說，「這其中涉及的物理學和天文學要多得多。」

這一切都始於世界各地科學家在群星之間展開的一場尋寶活動。

爭分奪秒的宇宙大尋寶

8月17日上午8時41分，LIGO探測到有引力波穿過了地球，這些波能夠引起時空的扭曲。LIGO由兩個L型的天文台組成，它們分別被埋設在美國華盛頓州和路易斯安那州的地下。當引力波短暫地擠壓或拉伸我們周圍的時空時，LIGO能夠捕捉到它們的信號。在過去的兩年中，LIGO曾數次探測到黑洞碰撞所產生的引力波。

不過，這次探測到的事件有很大的不同。

一方面，這次的信號要比之前探測到的強得多，表明事件發生地距離地球更近。此外，信號足足持續了100秒，而黑洞碰撞的信號只有幾秒鐘。

當LIGO探測到引力波後，它自動向世界各地的數百位科學家發出了提醒，布朗就是其中之一。「我們很快就進行了聯絡，然後意識到這是一個非常『響亮』的引力波信號，這讓我們興奮不已。」他說道。

科學家很快搞清楚：這一次不是黑洞併合。初步的分析顯示，這次的引力波是由兩顆中子星相互碰撞產生的——中子星是一種奇怪的緻密天體，科學家認為它們是製造重元素的熔爐。

當LIGO探測到黑洞碰撞產生的引力波時，星空中看不到任何東西。顧名思義，黑洞是無法被看到的。但中子星碰撞呢？那應該放出一些能夠被看到的「焰火」。

藏寶處

在引力波被探測到的那一天，科學家立刻從其他渠道得到了一些預示重大事件正在發生的線索。就在LIGO探測到引力波的兩秒鐘後，美國宇航局（NASA）的費米伽瑪射線空間望遠鏡（FGST）探測到了一場伽馬射線暴，這是宇宙中已知最強烈的能量爆發之一。

長期以來的理論認為，中子星併合會製造伽馬射線暴。科學家判斷這不可能是巧合。

但是，中子星併合事件的光學觀測窗口期非常短。所以，LIGO合作組織的科學家突然感受到巨大壓力，促使他們迅速展開行動。「越早能調動天文望遠鏡對目標展開觀測，能獲取到的信息也就越多。」布朗如是說。研究那些光線及其變化情況，科學家將能掌握關於中子星以及它們碰撞會如何轉化物質的大量信息。

布朗及其團隊投入到緊張的工作當中，他們跟世界各地的數十位科學家召開了視頻會議。LIGO團隊和VIRGO團隊（VIRGO是位於義大利的引力波觀測站）拚命趕製出一幅星圖，展示了引力波源的位置。

他們把範圍縮小到星空中的一片區域，大致相當於你把手臂伸向星空時拳頭的大小（即便如此，那在天文學上也是一片龐大的區域，一臂之外針頭那麼大的地方可能就包含著數千個星系）。

義大利的VIRGO其實沒有探測到信號，但正是這一點對校正位置起到了幫助作用。VIRGO知道盲點在哪裡，所以中子星必定在其中一個盲點的附近。

以下就是結合FGST、LIGO、VIRGO以及另一個伽馬射線探測器Integral所得數據製作的星圖，每個探測器都得出了信號源的潛在位置區域，而它們重疊的地方就是這場宇宙尋寶的「藏寶處」。

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有了星圖在手，LIGO團隊向一個全球性的天文學家網路發出了電郵提醒，讓他們在夜幕降臨後對星空的那片區域進行觀測。

找到了！數個地面天文台在那一夜確定了「千倍新星」（kilonova）的位置，也就是在兩顆中子星併合後發生的爆炸。在下面的左圖中，你可以看到天文學家在發現之夜觀測到的千倍新星，右圖則是幾天之後它看上去的樣子，其光線已經暗淡了許多。

以下是千倍新星爆炸前（下圖）和爆炸後（上圖）的對比圖。

這些圖像可能有些模糊，但蘊含了大量信息。

有了準確的坐標，科學家可以將哈勃太空望遠鏡和錢德拉X射線天文台對準千倍新星。依靠這些儀器，科學家能夠目睹創造過程的一小部分。

相撞的中子星是如何造出金子的

中子星是一種非常奇特的天體。它們是恆星坍縮（亦即超新星爆發後）的遺物，密度極高。

想像一下，有一個天體的質量與太陽相同，但直徑僅為20多公里，這相當於把質量是地球33.3萬倍的物質擠壓成普通小島那麼大的一個球體。其內部的壓力是如此之大，以至於裡面只有中子。

在1.3億光年外的一個星系中，兩顆中子星在軌道上圍繞彼此運行，它們之間的距離越來越近。每個中子星的密度是如此之高，產生的引力是如此之大，導致對方出現潮汐隆起現象。

最終二者撞在了一起，撞擊產生的能量製造出了扭曲時空的波浪，並且向太空噴發出大量粒子（這是和引力波一起探測到的伽馬射線暴）。

引力波和伽馬射線以光速的速度傳播，這是愛因斯坦廣義相對論的又一個證據。可能中子星的質量夠大，合併後足以形成一個新的黑洞。但還沒有充分的證據來下結論。

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不過，有證據證明：在爆炸後，剩餘的很多中子結合在一起，形成各種元素。

我們所有人，以及地球上的所有元素，都起源於恆星。宇宙大爆炸創造了氫和氦等非常輕的元素。這些元素結合形成恆星，而恆星的聚變反應又形成了質量越來越大的元素。

當恆星變成超新星（坍縮和爆炸）時，更重的元素出現了。但布朗解釋說：「黃金和鉑金來自哪裡？這長期以來都是未解之謎。」就算是超新星也不足以產生這些元素。

曾有理論認為，千倍新星（兩顆中子星合併後爆炸）可以。由於天文學家這次能夠迅速定位這次中子星合併事件，因此他們證明了這一點。通過探測爆炸餘暉的光譜，證實了黃金和鉑金的誕生。這就像親眼目睹鍊金術。

「地球上的黃金是在雙中子星合併的核火焰中煉就的。」布朗說，「我現在戴著一枚婚戒，是鉑金製成的。我非常喜歡，這是中子星相撞的產物。」

科學家相信，這開啟了天文學的新紀元

右邊是中子星物質的效果圖，左邊是碰撞周圍的扭曲時空

這一發現令人興奮不已，因為它意味著我們真正迎來了天文學的新紀元。它意味著科學家不僅可以研究天體發出的光和輻射，還可以把這些研究和引力波數據結合起來。

它意味著科學家擁有這種碰撞的全面數據，包括兩顆中子星圍繞彼此運行的數據、撞擊時的數據和撞擊後的數據。把所有這些數據源結合起來，就是「多信使」天文學。

這是LIGO科學家自從該天文台建立以來就一直懷揣的夢想。

LIGO天體物理學家維基·卡洛傑拉（Vicky Kalogera）說：「想像一下，我們住在一個沒有窗戶的房間，只能聽到雷聲，卻看不到閃電。再想像一下，我們身處一個有窗戶的房間，不僅能聽到雷聲，還能看到閃電。看見閃電使我們有了一個研究雷暴天氣和了解背後真相的新機會。」

引力波是雷聲，望遠鏡觀測到的爆炸就是閃電。

幾周前，LIGO的三位創始成員因為他們的開創性努力而榮獲諾貝爾物理學獎。最近的結果顯示，這項科學研究得獎是實至名歸。

引力波觀測的一個有趣之處在於，它是守株待兔。LIGO和VIRGO「聆聽」碰巧經過地球的任何引力波。每次探測都開啟了自己的尋寶之旅，科學家必須弄明白是什麼造成了時空中的漣漪。

科學家希望觀測到更多的黑洞合併，更多的中子星合併。但也可能觀測到更奇特、更炫酷的現象。

如果LIGO和VIRGO繼續升級改進，它們也許會發現，宇宙大爆炸產生的引力波至今仍在宇宙中回蕩。或者，更加激動人心的是，它們也許會發現出乎意料或者從未被觀測到的引力波來源。

「人類首次登月的時候，我還沒有出生。這讓我有點遺憾。」 路易斯安那州立大學物理學家、LIGO科學合作組織成員托馬斯·科比特（Thomas Corbitt）說，「引力波的發現證明，人們共同努力可以取得巨大的成就。看到像這樣的事情，實在是鼓舞人心，並促進了我們對宇宙的了解。」

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翻譯：何無魚、于波

來源：Vox

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