雙中子星合併 人類首次觀測到愛因斯坦提出過的引力波

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科學家首次探測到兩顆中子星相撞的聲音

科學家觀測到了由兩顆中子星相撞而產生的空間彎曲現象。

他們確認,兩顆中子星的合併產生了在宇宙當中所存在的金和鉑。

由這次猛烈撞擊事件產生的引力波,是在8月17日由激光干涉引力波天文台(LIGO)與室女座干涉儀(VIRGO)合作監測到的。

這一發現使全世界的天文望遠鏡得以觀測這一次中子星合併的細節。

位於美國加州帕薩迪納的加利福尼亞理工學院LIGO實驗室執行總監大衛·萊茲(David Reitze)說:「這是我們一直在等待的那一次。」

這一次大爆炸發生在一個被稱為「NGC4993」的星系,距離長蛇座大約有一萬億億公里遠。

碰撞發生在1.3億年前——當時恐龍仍然在地球上生活。由於距離太遠,光和引力波直到最近才到達我們這裏。

兩顆中子星的質量比我們的太陽大10-20%——但它們的直徑不過30公里。

它們是巨大星體在很久之前作為「超新星」(supernova)發生爆炸後遺留下來的內核。

它們被稱作中子星,是因為星體撞擊碎裂過程當中,令帶電的質子以及星體原子中的帶電粒子合併形成一個完全由中子組成的實體。

這些「殘留物」的密度之高難以想像——一茶匙的重量就能達到10億噸。

進行此次觀測的其中一個實驗室位於一個風景如畫的校園裏,一個噴泉池向天噴射著水柱,水又在重力的作用下呈弧線重新灑向地面,在清澈的池上濺出波紋。

在路易斯安那州利文斯頓廣闊的林地裏,LIGO探測儀的存在顯得有點格格不入。它的設計是用於監測宇宙當中由猛烈的天體撞擊產生的引力波紋。

自從兩年前升級以來,它已經四次偵測到黑洞的合併。

由猛烈衝撞產生的引力波在時空當中散播出波紋,所穿過的一切都被輕微地拉伸和壓縮——幅度小於一個原子的直徑。

圖片版權 NSF/LIGO/Sonoma State University/A.Simonnet
Image caption 效果圖:中子星合併在太空中激起漣漪

利文斯頓的LIGO實驗室由兩座小型建築組成,配有兩根長2.5英里的管道,以恰當的角度延伸。管道當中是一個強大的鐳射裝置,凖確地測量其長度發生的任何改變。

我和諾爾娜·羅伯森教授(Prof Norna Robertson)一起走進其中一條管道。她是蘇格蘭人,曾經在格拉斯哥大學工作,之後又曾幫助設計這一套設備當中的監測系統。

羅伯森教授的工作幫助了LIGO-VIRGO的科學合作項目成功偵測到由兩顆中子星相撞而發射出的引力波。

「我對我們做到的事情實在是感到興奮。我在40年前作為一個學生開始研究引力波,走過了一條很長很長的路:當中有起有落,但現在,一切都成了,」她告訴BBC說。

「過去這兩年,先是監測到了黑洞的合併,現在又是中子星的合併。我真的感覺到我們正在打開一個新領域,而這就是我一直想做的,現在我們做到了。」

此次監測令70個天文望遠鏡有史以來第一次捕捉到這一現象的細節影像。

這些影像顯示,這一次大爆炸比超新星的威力大1000倍——它被稱為「千倍新星」。


引力波——時空中的波紋

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視覺效果演示,兩顆中子星合併的軌道
  • 愛因斯坦的廣義相對論曾預言過引力波的存在
  • 經過數十年的努力,才發展出能夠直接觀測引力波的技術
  • 它們是由天體猛烈撞擊所形成,相當於在宇宙時空當中產生的波紋
  • 加速的實體將產生以光速傳播的波
  • 可偵測的引力波來源包括合併的黑洞和中子星
  • LIGO/VIRGO向「L」型的長管道中發射鐳射光;引力波產生時會對光造成干擾
  • 偵測到這些引力波,為宇宙打開一個全新的研究領域

研究人員曾經懷疑,這種釋放巨大能力的天文現象導致了稀有元素的產生,比如金和鉑。

英國貝爾法斯特女王大學(Queen's University Belfast)的凱特·馬奎爾博士(Dr Kate Maguire)分析過此次碰撞所產生的光。她表示,有關的理論如今已經得到證實。

「利用世界上一些最先進的望遠鏡,我們已經發現,這一次中子星合併向太空高速散射出了金和鉑等重化學元素。」

「這些新的結論極大地有助於解答長久以來被爭論的未解之謎,元素週期表當中比鐵更重的元素到底來源於哪裏。」

華威大學的喬·萊曼博士(Dr Joe Lyman)形容這一次的觀測「精巧細緻」。

「它告訴我們,像金和鉑這些用在珠寶上的重金屬元素其實是殘渣,是在中子星合併的十億度高溫中鍛造的殘留物。」

更多的發現仍將到來

此次發現還直接證實了,伽瑪射線暴與中子星的相撞有關。

通過將引力波的信息以及由天文望遠鏡收集到的光信息組合,研究人員也通過新技術測量到了宇宙的膨脹率。相關技術最早在1986年由卡的夫大學的貝納德·舒茨教授(Prof Bernard Schutz)提出。

劍橋大學的史蒂芬·霍金教授(Prof Stephen Hawking)告訴BBC說,這是「梯子上的第一根杠」,將帶來遠距離偵測宇宙的新方法。

「對於宇宙的一個新觀察窗口通常都會帶來不可預見的驚喜。我們仍然在拭目以待,或者洗耳恭聽——我們剛剛喚醒了引力波的聲響,」他說。

圖片版權 NSF
Image caption 路易斯安那州的LIGO實驗室有4公里長的管道,從控制中心延伸出去

萊斯特大學的尼爾·坦維爾教授(Prof Nial Tanvir)在智利使用VISTA天文望遠鏡進行觀測。

他和他的同僚一聽說偵測到引力波,就馬上開始尋找中子星撞擊的蹤跡。

「當我們第一次收到通知說LIGO偵測到了中子星的合併時,真的很興奮,」他說,「我們徹底不眠,對傳送過來的影像進行分析,不簡單的是,觀察所得與此前的理論推測是如此的吻合。」

LIGO現在正在進行升級。一年之後,它的靈敏度將提升一倍——因此屆時所能掃描的太空規模也將是現在的八倍。

研究人員相信,對黑洞和中子星的偵測將會成為常態。而他們希望,人們將能夠開始偵測一些他們現在不能想像的實體,從而打開一個天文學的新時代。

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