天文大新聞：首次探測到中子星引力波

插圖中展示的是，兩顆中子星相互撞在了一起。2017年8月16日，天文學家宣布，首次探測到了中子星相撞產生的引力波。

插圖：ROBIN DIENEL; COURTESY THE CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE

撰文：Nadia Drake

約13億年前，兩顆死星激烈碰撞，併產生一系列事件。過去兩個月里，這些事件讓地球上的天文學家們幾乎癲狂。

在昨晚跨幾個大洲舉行的新聞發布會上，科學家宣布首次探測到兩顆中子星碰撞產生的引力波。

1916年，愛因斯坦首次提出引力波的概念。它是由極端劇烈的宇宙事件引發的時空扭曲或畸變。迄今為止，所有已證實的探測都與兩個黑洞的碰撞融合相關，並沒有探測到可見信號。

但是，對於最近這次事件，研究團隊採用了約70個天文台的約100個設備，以多個波長追蹤並觀測到了這場大災難，首次讓科學家們可以仔細地檢查這些引力波的源頭。

加州大學聖巴巴拉分校的Andy Howell說：「我們看到的是人類此前從未見過的全新現象。它如此美妙，可能在我們的有生之年都無法重現。」

與黑洞相撞不同，相撞的中子星會產生金屬放射性碎屑，可以通過望遠鏡觀測到，但前提是要知道何時、以及往哪個方向看。

「我們能感覺到宇宙因兩顆中子星融合而顫抖，因此我們知道該看向哪裡，該把望遠鏡指向哪裡。」Howell說道。他的團隊與另外幾個團隊，共同追蹤了產生引力波信號的兩顆中子星。

時空漣漪

由愛因斯坦提出，並在2016年被證實的引力波，最終通過中子星的相撞融合而被人類觀測到。中子星，是巨大的恆星爆炸性死亡之後，留下的超密恆星遺體。

兩顆中子星圍繞彼此旋轉；離得越近，它們也轉得越快。最終，它們撞在了一起。旋轉與融合產生的能量，以引力波的形式向外傳播。

巨大能量

中子星融合很可能會形成一個黑洞，但也有可能形成一個質量反常的大中子星。無論如何，最終形成的天體質量會比兩個中子星的質量之和小一些。據估計，相當於約25個木星的質量轉化成了引力波。這次碰撞也產生了相當於50個木星質量的重元素，如金和銀。

最終，參與此次引力波探測、參與此次天體物理學取證的人員約有3500名。這項大工程今天以40篇論文發表在了《Science》《Physical Review Letters》等科學期刊上。

總之，這些觀測結果幫助科學家們驗證了物理學一些長期存在的理論，解決了關於宇宙中金等重金屬的起源，而且有了通過引力波天文學這類新型領域，此類發現才能成為可能。

「　　這是第一次我們聽到兩顆中子星的死亡旋轉，我們也看到了它們最終融合時釋放出來的煙花。」美國西北大學的Vicky Kalogera在華盛頓特區的新聞發布會上如是評論。

探索時間

其實，首次、間接發現引力波的存在是在1974年。但是，幾十年來，這些波都被證實難以捉摸，因為地球上時空扭曲的量實在太小，尺度相當於原子核直徑的幾分之一。

為了感知宇宙中這類小的可憐的波動，研究人員創立了激光干涉引力波天文台（LIGO）。當引力波衝擊地球時，該天文台的兩個探測器能分別用激光測量幾對鏡子之間的距離變化。如今，歐洲室女座天文台（Virgo）的第三個探測器如今也在以同樣的原理工作。

這張全天圖上現實了迄今為止已經證實的引力波，以及即將進行探測的一次引力波。條紋顯示出了每次事件所引起的時空波動，數字則表示探測到的日期，比如，最近的一次事件GW170817，是在2017年8月17日探測到的。

插圖：LIGO/VIRGO/NASA/LEO SINGER/AXEL MELLINGER

2016年初，LIGO的科學家宣布一項重大發現：他們敏感度極高的儀器終於探測到了引力波。此後，LIGO又確認了3次引力波事件，每次都是由黑洞融合引起的。該團隊的3名首席科學家也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

但是，今年8月17日凌晨，LIGO探測器記錄下了新情況。使幾面鏡子的距離繃緊的引力波表明，似乎其來源並非黑洞，而是融合的死星。

引力波信號使LIGO探測器顫動兩秒之後，美國宇航局的費米伽瑪射線空間望遠鏡捕捉到了從同一塊天域傳來的一縷伽馬射線。這一縷伽馬射線持續了不到兩秒，似乎是一次短暫的伽馬射線爆發；據認為，此類事件是由相撞的中子星產生的。

難道是巧合？LIGO-Virgo團隊並不這麼認為。該團隊立即向天文學同行發出訊息，告訴觀測人員，如果他們迅速行動，他們可能會探測到中子星相互碰撞產生的碎屑，並且首次看到引力波誕生之後的後續。

這一訊息引發了全球多個團隊的後續觀測，而且所有團隊都希望能幫忙把這塊拼圖的全貌拼出來。但首先，最關鍵的是，團隊需要知道把他們昂貴的設備指向何方。

與死星共舞

先讓我們認識一下加州大學聖克魯茲分校的博士後Charlie Kilpatrick。在引力波和伽馬射線出現之後，Kilpatrick及其同事迅速從同一片星空梳理出了大量星系，試圖找出新信號的源頭。

他們先聯繫了智利境內一架小型的、不起眼的望遠鏡，等智利天黑之後，他們開始計劃將望遠鏡指向每個星系，尋找活動的信號。但是他們必須抓緊時間：那一片天空只能觀測一兩個小時，便會沉入地平線之下。

左邊是哈勃望遠鏡在這次引力波探測之前4個月拍攝的，展示的是橢圓星系NGC 4993；而智利斯沃普望遠鏡在8月份拍攝的圖像（下）顯示，該星系中出現了一顆亮點。

供圖：HUBBLE/STSCI (上) AND PHOTOGRAPH BY 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY (下)

在LIGO-Virgo的警報拉響10小時之後，Kilpatrick觀測的第5個星系中，出現了一顆從未見過的亮點。這個非常誘人的信號顯示，某個大事件已經發生。該團隊發送電報給其他人，告知此次發行。42分鐘內，另外5個團隊（其中包括Howell的團隊）也瞄準了這個星系。

「對於這麼大個事，我的反應有點兒慢。」Kilpatrick說道。

接下來幾天，大批天文台開始加入。幾周內，橢圓星系NGC 4993邊緣的引力波源，成了天空中最受關注的一點。

在那片天域中，兩顆中子星已經相互旋轉了很久。它們令人窒息的舞蹈，將會以一場劇烈的死亡告終。經過幾百萬年的共舞，它們的死亡如此激烈，甚至讓時空發生了扭曲和畸變，產生的引力波以光速向宇宙傳播，並最終把它們的訃告發給了我們地球。

大爆炸理論

幸虧有了迅速的探測工作，科學家們才能夠研究電磁光譜（包括無線電波和伽馬射線）中的爆發。

這次融合如今也解決了元素周期表中重元素起源的爭論，比如金、鉑等貴重金屬，以及科學家們用來製造LIGO激光的釹元素。

兩顆中子星相互旋轉融合時產生的時空漣漪。

插圖：NSF/LIGO/SONOMA STATE UNIVERSITY/A. SIMONNET

長期以來，科學家們認為這些金屬主要是大恆星在死亡爆炸（超新星爆炸）時爆發出來的。但是，最近的研究表明，這類超新星所噴射出來的金屬，並無法解釋我們所看到的這麼多量。

產生這些元素需要大量的中子；正如人們所推測的那樣，這麼大量的重金屬元素是中子星撕裂時產生的。

通過在紅外線下研究中子星相撞，研究團隊確定爆炸的碎屑中包含有至少相當於10000個地球的貴金屬，足以解釋宇宙中觀測到重金屬的數量。

「這類事件事實上可以解釋今天宇宙中所有金、所有重元素的存在。」加州大學聖克魯茲分校的Enrico Ramirez-Ruiz說道。關於這次觀測，他認為「數據的水平和數量非常令人驚嘆，非常美妙。」

然而，這類事件仍然帶來了不少疑問。比如，兩顆中子星相撞之後究竟會產生什麼。我們只知道，碰撞後的遺留物的質量相當於2.6個太陽。

亞利桑那大學的Feryal Ozel認為，鑒於這個質量以及中子星的形成機制，很可能最終會產生一個黑洞。另有人提出了一種不太可能的結果，比如形成一顆反常的、超級重的中子星。但是，就目前科學家對中子星物理性質的了解，那樣的中子星會分裂開來。

更怪異的事物

無論結果如何，這次大碰撞後的殘留物，引發了許多關於宇宙最緻密天體的問題。

「沒有人曾觀測到相當於2-5個太陽質量的中子星或者黑洞。」LIGO團隊成員、加州理工大學的Alan Weinstein說道。

天文學家利用智利的斯沃普和麥哲倫望遠鏡，記錄下了此次中子星爆炸：可見光下，一顆亮點突然出現，然後暗淡。大約7天後，可見光波長下，已經無法探測到這顆亮點。

供圖：1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY

此外，這次爆炸及其後續並沒有如人們預測的那樣上演。加州理工的 Mansi Kasliwal說，伽馬射線爆發相對較弱，比此前的類似事件要微弱許多。另，伽馬射線爆發後，X射線和無線電波到達探測器的時間也晚了一些。

加拿大麥吉爾大學的Daryl Haggard認為，這可能意味著，爆炸產生的高速輻射流並沒有直接對準地球，反而有點偏離。他的團隊使用錢德拉X射線天文台觀測到了此次中子星融合。

或者，可能意味著還發生了更為複雜的事件。Kasliwal認為，爆炸產生的一團高能碎屑阻礙了最初產生的一些噴射流（如X射線和無線電波）。科學家們希望，在後續相當長一段時間內都能觀測到的無線電波，能幫助化解這個疑問。

「儘管無線電抵達得比較晚，但它們離開得也最晚，而且還是帶著禮物而來！」加州理工的Gregg Hallinan調侃道。

然而，進一步觀測必須要等一等，因為該星系的位置如今非常接近太陽，某些望遠鏡觀測起來會過於危險。當它稍微遠離太陽的光輝之後，許多望遠鏡將再次瞄準大碰撞之後的遺迹。

與此同時，毫無疑問，天文學家們將會慶祝他們第一次觀測到如此多的細節。

「這個東西是在13億年前爆炸的。如果它晚一個月爆炸，我們根本就看不到了。很多探測器都會關掉，而它也會躲進太陽背後。」

（譯者：mikegao）

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