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这下真的不得了!中子星重力波,发现!──科学超抖宅报

 

2016年2月11日,雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)正式宣佈从双黑洞融合的过程观测到重力波存在,证实爱因斯坦百年前的猜测。

在那之后,重力波相关研究好事连连、不断有新进展:不但陆续发现其他黑洞合併产生的重力波,于2017年9月27日宣佈的最近一次(也是人类史上第四次)观测,不仅LIGO团队,位于义大利比萨附近的处女座干涉仪(Virgo interferometer)亦在升级后首次录到黑洞合併产生的重力波讯号──这对科学家来说是相当令人振奋的消息。原本LIGO有两座干涉仪,加上生力军Virgo的一座,人类将可比以前更精准、更快速找出重力波源头,也能对重力波的特性做更详细的检验。

紧接着,2017年10月3日,诺贝尔物理学奖颁给了对重力波侦测有卓越贡献的莱纳.魏斯(Rainer Weiss)、基普.索恩(Kip Thorne),和巴瑞.巴利许 (Barry Barish)。诺贝尔余波仍持续荡漾的现在,2017年10月16日,LIGO、Virgo和全球各地的天文台团队联合召开记者会宣佈,发现双中子星合併产生的重力波及电磁波!(一再有大发现,可以这么犯规吗?)

Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

中子星重力波和黑洞重力波的差异

顾名思义,中子星几乎由中子组成,它可说是除黑洞之外最緻密的天体。火柴盒大小的中子星物质,即可重达数十亿公吨!当质量比太阳大得多的恒星,进入恒星演化的最后阶段,成为超新星并爆炸后,遗留下来的核心因为重力而塌缩,成为直径约十多公里、质量却比太阳还大的中子星。

但是,中子星合併产生的重力波又跟之前黑洞产生的重力波有何不同?

之前观测到的重力波,起源于黑洞的融合。黑洞,它是黑的!基本上是看不到的!而且黑洞融合的过程不太会释放电磁波(如果有,恐怕也难以侦测),所以我们仅能凭藉重力波来发现这类天文事件的存在。

另一方面,中子星的合併可大大不同了。中子星带有强烈的磁场,早在1960年代,人类即已观察到中子星产生的电磁波。发现中子星融合产生的重力波意味着,全球各地的天文台可同时利用电磁波望远镜实际观测这起骇人听闻难得的天文事件。两方对照下,将大大增进我们对重力波、中子星、和宇宙的理解。

双中子星合併模拟。磁力线用白色表示。(图片来源)

我们看到了什么?

这起事件,来自于长蛇座(Hydra)的NGC4993星系,距地球一亿三千万光年。中子星合併的重力波讯号,跨越了漫长的距离和时间来到地球,于2017年8月17日被人类观测到;没多久,全球许多望远镜,包括哈伯太空望远镜,纷纷将镜头指向这个区域,一睹这场一亿三千万年前“正在发生”的天文奇景:两个约1.1和1.6个太阳质量的中子星互相旋绕、碰撞,最后融合成一个新的星体(尚须持续观察以确认性质)。过程中,也产生了大量的重金属和贵金属,如黄金。事实上,宇宙中的黄金,主要便来自中子星的融合。

中子星质量比黑洞要小,重力波的强度较低、讯号持续比较久,科学家能够录得较长(可达一分钟)的重力波讯号;约莫同时,费米伽玛射线太空望远镜亦观察到持续约两秒的短伽玛射线暴(short Gamma-ray burst),刚好跟理论预期相符──以往,虽然科学家猜测中子星融合会产生短伽玛射线暴,但苦无观测证据,这下子终于等到了!不只如此,伽玛射线之外的其他电磁波段,也能看到相应的讯号!

歷史的见证

之前黑洞重力波的发现,虽然是伟大的成就,但传统望远镜却无用武之地。这次双中子星的合併,我们不但能在LIGO和Virgo的合作下,很好地定位出地点,还是有史以来第一次,重力波观测能够和传统的(电磁波)望远镜观测互相对照。

即使后续还有很多分析和研究工作要做,但此次中子星融合事件,无疑是天文学的另一个里程碑。随着时代的进步,我们都见证了人类对宇宙探索踏出史无前例的一步!

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