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「多信使天文學」里程碑!1億3000萬年前的中子星撞擊,重力波偵測、電磁波觀測同時達陣

風傳媒 標誌 風傳媒 2017/10/17
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1億3000萬年前,在遙遠的長蛇座NGC 4993星系,兩顆中子星不斷相互旋轉圍繞、相互接近,最後終於相互撞擊,過程中引發有「時空漣漪」之稱的重力波,並且造成「短伽瑪射線爆」,接下來更釋放出電磁波光譜上的各種波長的光──X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波,宛如一場無比壯麗的煙火秀。

1億3000萬年後的2017年8月17日,美東夏令時間上午8點41分,位於美國華盛頓州與路易斯安那州的「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)與義大利比薩(Pisa)的室女座干涉儀(Virgo)偵測到來自長蛇座(Hydra)的重力波(gravitational waves)訊號,持續約100秒。約莫2秒鐘之後,美國航太總署(NASA)的費米伽瑪射線太空望遠鏡(FGST)也偵測到同一來源的短伽瑪射線爆(short gamma-ray burst)。

1億3000萬光年外的長蛇座NGC 4993星系,兩顆中子星從彼此環繞到相互撞擊(LIGO) © 由 風傳媒 提供 1億3000萬光年外的長蛇座NGC 4993星系,兩顆中子星從彼此環繞到相互撞擊(LIGO)
1億3000萬光年外的長蛇座NGC 4993星系,兩顆中子星從彼此環繞到相互撞擊(LIGO)

全世界的天文學家沸騰了!LIGO、Virgo、70座地面與太空望遠鏡的研究人員經過兩個月不眠不休的觀測與分析,10月16日在多個機構同步舉行記者會昭告世人:8月17日那天,人類第一次偵測到由中子星(neutron star)撞擊產生的重力波,第一次同時藉由重力波與電磁波(光)觀測到一個宇宙事件。這是歷史性的一刻。

美國國家科學基金會(NSF)主任柯多華(France A. Córdova)說:「如此罕見的事件徹底改變了我們對宇宙運作的認知,這樣的體驗令人無比振奮。」像長蛇座中子星相撞這種等級的宇宙事件(cosmic event),每8萬多年才會發生一次。

愛因斯坦(Albert Einstein)百年前以廣義相對論預言的重力波,是2017年諾貝爾物理學獎的主角,3位開創重力波觀測的科學家韋斯 (Rainer Weiss)、巴瑞許(Barry C. Barish)、索恩(Kip S. Thorne)共享殊榮。但是從2015年9月迄今,LIGO與Virgo偵測到的4次重力波訊號都是來自兩個黑洞(black hole)的相互撞擊。顧名思意,黑洞不會釋出任何光線,這些重力波事件「只能聽、不能看」。

如何才能以光學望遠鏡「看到」重力波事件?科學家將希望寄託在中子星──宇宙中最小但密度最高的星體。中子星是超新星(supernova)爆炸後的「遺骸」,幾乎完全由中子構成,直徑只有20公里,但一湯匙的質量卻高達10億噸──約莫一整座聖母峰的重量。當兩顆中子星相互旋轉圍繞,就會引發重力波;等到相互撞擊,則會釋放出短伽瑪射線爆與各種波長的光。

8月17日之前,這些都只是理論預測;8月17日的偵測與觀測改變了一切,代表以多種觀測方式為特點的「多信使天文學」(multi-messenger astronomy)進入了新時代。這座科學里程碑的相關論文刊登於《科學》(Science)、《自然》(Nature)、《物理學評論通訊》(Physical Review Letters)、《天體物理學期刊通訊》(Astrophysical Journal Letters)等期刊,其中一篇的作者多達3500人 。

過去人們喜歡將天體物理學家想像成遺世獨立的天才──孤單地進行觀測、計算、分析,然後寫出石破天驚的論文。然而如今「多信使天文學」才是王道,喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)與LIGO研究員卡多奈提(Laura Cadonati)博士說:「爾今爾後,我們想知道的越多,就越是要攜手合作。」

回到1億3000萬年之前、1億3000萬光年之外,那兩顆中子星的質量各約為太陽的1.1至1.6倍,直徑各約20公里,彼此距離約300公里。它們彼此環繞,越來越快,越來越近,開始延展、扭曲周遭的時空(space-time),以重力波的形式釋放巨大的能量,並以光速向四面八方傳遞。

在相撞的那一刻,兩顆中子星結合為一,釋放出有如「火球」的短伽瑪射線爆。「激情過後」,天際出現一顆「千倍新星」(kilonova),繼續將大量發光發熱的物質噴向浩瀚宇宙,其中包括金、銀、鉑、鉛、鈾等元素,這些比鐵重(原子量大於56)的元素就是如此產生。換言之,從埃及法老(pharaoh)的寶藏到廣島原子彈到你的結婚戒指,都來自數億、數十億光年外某兩顆中子星的壯麗撞擊。

千倍新星(kilonova)(NASA) © 由 風傳媒 提供 千倍新星(kilonova)(NASA)
千倍新星(kilonova)(NASA)

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