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Image credit: LIGO

科學家首度用重力波定位了中子星合併事件

並在過程中獲得了大量前所未見的資料。

Andy Yang
2017 年 10 月 17 日, 下午 03:30
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稍早的時候,一群來自天體物理學不同領域的科學家合力在 SciencePhysical Review Letters 兩部期刊上發表了一系列的論文與初步觀察結果,其內容全部來自於一個發生在 8 月 17 日,極其罕見的中子星合併事件。兩個高質量的天體愈靠愈近,直到最後合而為一的過程,是宇宙中最暴虐而高能的事件,然而如果合併的對象是兩個黑洞的話,就不會有任何電磁波溢出(都被黑洞吸回去了),所以科學家一直在期待中子星合併事件的發生。

這次的大功臣是先前成功觀測到重力波存在的 LIGO 儀器。從 2015 年 9 月以來,LIGO(和後來在義大利啟用的同類儀器 VIRGO)已經觀察到了四次的重力波事件,來源都是黑洞的合併。但這個第五次不一樣 -- 不僅強度要強上很多,而且相較於黑洞合併事件幾秒鐘就結束了,這次事件持續了100 秒左右,顯示這應該是個更接近地球,而且屬性不太相同的事件。



透過現代網路通訊的即時性,兩座 LIGO 再加上 VIRGO 很快地就利用三角定位將事件發生地鎖定在天空中的一塊特定的區域中,並且對全世界的天文學家發出了通知。兩秒後,NASA 專職偵測伽瑪線爆的 Fermi 衛星確認了在天空的同一片大致的方向有伽瑪線爆發生,除了進一步協助定位之外,也為這是中子星合併事件而非黑洞合併事件提供了佐證。



然而,這類事件通常是來得快,去得也快,最重要的部份可能一下子就過去了。當晚基本上所有朝向夜空的所有望遠鏡都投入了找尋星體確切位置的工作,並且同時由多個望遠鏡確認了這個命名為 SSS17a 的星體的位置。包括哈伯太空望遠鏡、Chandra X 光望遠鏡、和紅外線、無線電等多個頻譜的地面儀器都在接下來的幾晚中對 SSS17a 進行了持續的觀測,完整記錄了這個罕見的事件。

在所有的發現當中,最重要的一點是新元素的生成。原始的宇宙中只有氫氣和氦氣,透過恒星內的核融合,可以製造出最高到鐵的所有元素。更高原子序的元素可以在超新星爆炸中產生,但理論中預測可以生產出來的量遠少於宇宙中實際的含量,特別是金、鉑等元素。如今這個事件讓科學家得以透過直接觀測,證實了中子星合併能大量產生重元素,解開了這一大謎團。



但解開舊謎團的同時,它也帶來了新謎團 -- 主要是伽瑪線爆比想像中要來得微弱,而且雖然可見光附近的電磁波很快就抵達地球,X 光卻慢了 9 天,另一端的無線電波更是慢了 16 天才到達。這讓天體物理學家們不得不審視已知的模型,並試圖找出新的結構來解釋這種奇怪的現象。



這次的中子星合併事件是人類有史以來觀察最仔細,資訊最豐富的宇宙偶發事件,不僅帶來了大量可相互印證的資料,同時也展示了全球天文學家通力合作的威力呢。