中子星碰撞金鉑滿堂

劉安立

2017年10月中旬，科學(xué)家宣布探測(cè)到時(shí)—空組構(gòu)中的漣漪——引力波，而這些引力波來(lái)自于一對(duì)死亡恒星——中子星的相互碰撞。這是科學(xué)家首次目睹兩顆中子星的合并。這一發(fā)現(xiàn)或許有助于破解幾十年來(lái)的一大奧秘：宇宙中的許多重元素是怎么產(chǎn)生的？

2017年10月中旬，科學(xué)家宣布探測(cè)到時(shí)—空組構(gòu)中的漣漪——引力波，而這些引力波來(lái)自于一對(duì)死亡恒星——中子星的相互碰撞。這是科學(xué)家首次目睹兩顆中子星的合并，這一發(fā)現(xiàn)或許有助于破解幾十年來(lái)的一大奧秘：宇宙中的許多重元素是怎么產(chǎn)生的？現(xiàn)在，我們就來(lái)解讀一下這項(xiàng)大發(fā)現(xiàn)及其對(duì)于我們了解宇宙來(lái)說(shuō)為什么那么重要。

什么是引力波

早在1916年，大科學(xué)家愛(ài)因斯坦就在科學(xué)界首次預(yù)測(cè)了引力波的存在。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，引力波源自質(zhì)量對(duì)時(shí)—空組構(gòu)的扭曲。當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體移動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生以光速穿行的引力波，沿途會(huì)拉伸和擠壓時(shí)-空。

由于引力波很弱，所以探測(cè)引力波的難度很大，甚至就連愛(ài)因斯坦也不確定引力波是否真的存在。在愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)引力波存在之后100年，科學(xué)家運(yùn)用“激光干涉儀引力波天文臺(tái)”（簡(jiǎn)稱LIGO），在2016年首次探測(cè)到引力波存在的證據(jù)。這項(xiàng)工作在2017年10月讓3位科學(xué)家獲得了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

LIGO怎樣工作

LIGO使用美國(guó)的兩部探測(cè)器（其中之一位于美國(guó)路易斯安那州的利文斯頓，另一部位于美國(guó)華盛頓州的漢福德），感知引力波穿過(guò)物質(zhì)時(shí)造成的翹曲。其中每部探測(cè)器的形狀都像是英文大寫字母L，并且每部探測(cè)器的高度和長(zhǎng)度分別都一樣。這樣一來(lái)，激光柱穿越探測(cè)器的時(shí)間也相同。然而，如果引力波穿越地球，它們就會(huì)讓探測(cè)器的支柱拉伸或壓縮一個(gè)光子直徑的萬(wàn)分之一長(zhǎng)度，而這些時(shí)—空扭曲（翹曲）會(huì)讓每部探測(cè)器都探測(cè)到一種瞬時(shí)發(fā)生的時(shí)間差異——激光柱下穿一部探測(cè)器的支柱和下穿另一部探測(cè)器的支柱所花時(shí)間的差異。

因?yàn)長(zhǎng)IGO的兩部探測(cè)器相距大約3000千米，所以引力波要花10毫秒才能從一部探測(cè)器穿行到另一部探測(cè)器?？茖W(xué)家運(yùn)用這一到達(dá)時(shí)間差，來(lái)測(cè)量引力波來(lái)自何方。隨著更多的引力波探測(cè)器（例如位于意大利比薩附近的Virgo）連線，科學(xué)家能更好地確定引力波的來(lái)源。

LIGO最容易探測(cè)到的是最強(qiáng)的引力波，它們是在超大質(zhì)量物體相撞時(shí)釋放的。LIGO及其他探測(cè)器此前探測(cè)到的所有引力波，都來(lái)自于黑洞的合并?，F(xiàn)在，科學(xué)家運(yùn)用LIGO和Virgo，首次探測(cè)到源自中子星合并的引力波。

中子星是什么

像黑洞一樣，中子星也是恒星在災(zāi)難性爆發(fā)（被稱為超新星）中死亡所留下的殘余。當(dāng)一顆恒星經(jīng)歷超新星階段時(shí)，恒星物質(zhì)崩塌，形成一個(gè)致密的核。如果這個(gè)核的質(zhì)量足夠大，就會(huì)形成黑洞。黑洞的引力非常大，就算是光也逃不出黑洞。但如果核質(zhì)量沒(méi)那么大，就會(huì)形成一顆中子星。中子星的得名，是因?yàn)樗囊Υ蟮米阋园奄|(zhì)子和電子壓在一起，形成中子。

雖然中子星的個(gè)頭通常都小，直徑只有大約19千米，但它們的密度極大，以至于一顆中子星的質(zhì)量就可能相當(dāng)于太陽(yáng)的質(zhì)量。一茶匙的中子星材料，竟然重達(dá)大約10億噸，這讓中子星成為宇宙中除了黑洞之外最致密的天體。

大發(fā)現(xiàn)：引力波來(lái)自中子星

2017年8月17日，升級(jí)版的LIGO和Virgo探測(cè)到一個(gè)擁有超高能量的引力波信號(hào)。美國(guó)加州理工學(xué)院女科學(xué)家加斯里沃說(shuō)，這個(gè)信號(hào)的超高能量相當(dāng)于銀河系亮度能量的10億倍。加斯里沃也是“全球瞬變觀測(cè)天文臺(tái)”項(xiàng)目的首席科學(xué)家，這一國(guó)際合作項(xiàng)目致力于觀測(cè)像中子星合并這樣的宇宙瞬變事件。加斯里沃解釋說(shuō)，這個(gè)引力波信號(hào)在其出現(xiàn)時(shí)間里（大約60秒鐘）的能量，足以超越銀河系中的1000億顆恒星。正是這次信號(hào)出現(xiàn)事件，讓科學(xué)家首次目睹了兩顆中子星的合并。該信號(hào)來(lái)自于如此合并的主要線索之一，是信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。事實(shí)上，這是迄今為止探測(cè)到的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的引力波信號(hào)。

黑洞比中子星更致密，所以來(lái)自于黑洞合并的信號(hào)相對(duì)短暫。加斯里沃介紹說(shuō)，此前探測(cè)到的黑洞合并信號(hào)只持續(xù)一兩秒鐘，而最近這次信號(hào)事件持續(xù)了近一分鐘。該信號(hào)來(lái)自于中子星碰撞的另一個(gè)主要線索是：產(chǎn)生這些引力波的天體的質(zhì)量。引力波的頻率取決于產(chǎn)生引力波的天體質(zhì)量——頻率越高，天體質(zhì)量越低。產(chǎn)生新引力波信號(hào)的兩個(gè)天體質(zhì)量分別是太陽(yáng)質(zhì)量的1.3倍和1.5倍，這是中子星的典型質(zhì)量。與之相比，LIGO首次探測(cè)到的黑洞合并所涉及的每個(gè)黑洞的質(zhì)量，都是太陽(yáng)質(zhì)量的大約30倍。

雖然此次新信號(hào)的能量很高，但它依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黑洞合并所產(chǎn)生的引力波信號(hào)能量水平。這次中子星合并，把相當(dāng)于大約2.5%的太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量?？蓜e小看這個(gè)2.5%，它代表著巨大的能量。然而，LIGO首次探測(cè)到的黑洞合并，竟然把相當(dāng)于3倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量，這一能量超過(guò)迄今為止所見(jiàn)的任何東西的能量。

迄今為止，LIGO已經(jīng)探測(cè)到4次黑洞合并和1次中子星合并。一些科學(xué)家預(yù)測(cè)，中子星合并可能比黑洞合并更常見(jiàn)。但也有一些科學(xué)家認(rèn)為，情況或許正好相反。加斯里沃解釋說(shuō)，雖然中子星合并在任何體積內(nèi)都更常見(jiàn)，但是黑洞合并的能量更強(qiáng)大，因而很遠(yuǎn)處的黑洞合并都能被探測(cè)到，而距離較遠(yuǎn)的中子星合并卻不見(jiàn)得能被探測(cè)到。endprint

中子星碰撞之光

最終，升級(jí)版LIGO和升級(jí)版Virgo把這次新事件的源頭定位到天空中一個(gè)28平方度的區(qū)域——GW170817。與之相比，從地球上看到的滿月只占天空中大約0.2平方度的區(qū)域。

科學(xué)家們迅速行動(dòng)，采用常規(guī)望遠(yuǎn)鏡和引力波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)這一事件：首次探測(cè)來(lái)自一個(gè)引力波源頭的光線。與此對(duì)比，黑洞合并不會(huì)產(chǎn)生任何光線，這意味著常規(guī)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到黑洞合并。在幾周時(shí)間里，科學(xué)家運(yùn)用一系列望遠(yuǎn)鏡，分析來(lái)自這次中子星合并的射電波、紅外波、可見(jiàn)光、紫外光、X射線和伽馬射線暴。位于智利的一部大型望遠(yuǎn)鏡，成功將GW170817定位到位于長(zhǎng)蛇座、距離地球大約1.3億光年的星系NGC4993。這是科學(xué)家首次把引力波事件與一個(gè)已知星系聯(lián)系起來(lái)?？茖W(xué)家把這一事件的源頭簡(jiǎn)稱為SSS17a。

加斯里沃解釋說(shuō)，運(yùn)用LIGO和Virgo，他們發(fā)現(xiàn)這場(chǎng)合并的地點(diǎn)只可能是49個(gè)星系。通過(guò)區(qū)分優(yōu)先順序，他們根據(jù)星系質(zhì)量大小來(lái)尋找這次中子星合并所在地。具體而言，科學(xué)家估算每個(gè)星系中的恒星數(shù)量，由此估計(jì)星系中發(fā)生中子星合并的概率。最終，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)中子星合并的源頭就是他們搜索名單上的第三個(gè)。

中子星合并留下寶藏

SSS17a迅速變暗，光的顏色從偏藍(lán)轉(zhuǎn)為偏黑——這一信號(hào)表明，中子星合并的殘骸以接近光速迅速膨脹，然后在行進(jìn)過(guò)程中降溫?？茖W(xué)家說(shuō)，這次中子星合并產(chǎn)生了“千倍新星”，也就是說(shuō)，這次合并、爆發(fā)的強(qiáng)度是一次典型恒星爆發(fā)（即新星）的1000倍都不止。加斯里沃等人估計(jì)，這次中子星合并噴射的物質(zhì)量相當(dāng)于大約1萬(wàn)個(gè)地球質(zhì)量。

科學(xué)家估計(jì)，這場(chǎng)合并產(chǎn)生的物質(zhì)射流以接近光速向外噴射，移動(dòng)路徑與從地球上看去的視線偏離大約30°?？茖W(xué)家探測(cè)到的所有光線，都來(lái)自于環(huán)繞射流的一個(gè)繭狀物質(zhì)團(tuán)。科學(xué)家預(yù)計(jì)，未來(lái)大約30%的中子星合并會(huì)產(chǎn)生地球上可探測(cè)到的明亮伽馬射線。

這次合并噴射的物質(zhì)發(fā)出光線，其光譜顯示這些物質(zhì)中包含新合成的元素。這一新發(fā)現(xiàn)證實(shí)了科學(xué)家70年來(lái)的預(yù)測(cè)：中子星的合并足以合成諸如金、鉑和鉛之類的重元素。科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直清楚，較輕的元素是合成來(lái)的，其中大多數(shù)氫和氦來(lái)自于宇宙大爆炸（宇宙發(fā)端時(shí)期），元素周期表上一直到鐵的元素大多是在恒星核中鍛造出來(lái)的。然而，比鐵重的元素中有一半的來(lái)源都不清楚。加斯里沃說(shuō)，這次新發(fā)現(xiàn)提供的首批確鑿證據(jù)證明，中子星合并是宇宙中比鐵重的半數(shù)元素的起源地。

這次對(duì)引力波和中子星合并的觀測(cè)，不僅證實(shí)了理論預(yù)測(cè)，而且讓科學(xué)家估算了合并后產(chǎn)生的物質(zhì)數(shù)量及化學(xué)組成?？茖W(xué)家推測(cè)，這次合并產(chǎn)生的重元素質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的6%，其中僅僅是金元素總質(zhì)量就達(dá)地球質(zhì)量的200倍，鉑元素的這個(gè)數(shù)值則為500倍。

迄今為止仍不清楚這場(chǎng)中子星合并的產(chǎn)物有哪些。這兩顆中子星的合并質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的大約2.7倍，這個(gè)質(zhì)量介于中子星和黑洞之間。加斯里沃說(shuō)，迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大中子星質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的2倍，迄今為止發(fā)現(xiàn)的黑洞最小質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的5倍。因此，這場(chǎng)中子星合并的結(jié)果要么是迄今為止所見(jiàn)的最大質(zhì)量中子星，要么是迄今為止所見(jiàn)的最小質(zhì)量的黑洞，或者說(shuō)，一顆超大質(zhì)量的中子星將坍縮成一個(gè)黑洞。究竟會(huì)發(fā)生那種情況？仍需拭目以待。加斯里沃說(shuō)，這是宇宙學(xué)中需要探索的一個(gè)新領(lǐng)域。endprint