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這下真的不得了!中子星重力波,發現!──科學超抖宅報

2017/10/16 | | 標籤:

2016年2月11日,雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)正式宣佈從雙黑洞融合的過程觀測到重力波存在,證實愛因斯坦百年前的猜測。

在那之後,重力波相關研究好事連連、不斷有新進展:不但陸續發現其他黑洞合併產生的重力波,於2017年9月27日宣佈的最近一次(也是人類史上第四次)觀測,不僅LIGO團隊,位於義大利比薩附近的處女座干涉儀(Virgo interferometer)亦在升級後首次錄到黑洞合併產生的重力波訊號──這對科學家來說是相當令人振奮的消息。原本LIGO有兩座干涉儀,加上生力軍Virgo的一座,人類將可比以前更精準、更快速找出重力波源頭,也能對重力波的特性做更詳細的檢驗。

緊接著,2017年10月3日,諾貝爾物理學獎頒給了對重力波偵測有卓越貢獻的萊納.魏斯(Rainer Weiss)、基普.索恩(Kip Thorne),和巴瑞.巴利許 (Barry Barish)。諾貝爾餘波仍持續蕩漾的現在,2017年10月16日,LIGO、Virgo和全球各地的天文台團隊聯合召開記者會宣佈,發現雙中子星合併產生的重力波及電磁波(一再有大發現,可以這麼犯規嗎?)

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

中子星重力波和黑洞重力波的差異

顧名思義,中子星幾乎由中子組成,它可說是除黑洞之外最緻密的天體。火柴盒大小的中子星物質,即可重達數十億公噸!當質量比太陽大得多的恆星,進入恆星演化的最後階段,成為超新星並爆炸後,遺留下來的核心因為重力而塌縮,成為直徑約十多公里、質量卻比太陽還大的中子星。

但是,中子星合併產生的重力波又跟之前黑洞產生的重力波有何不同?

之前觀測到的重力波,起源於黑洞的融合。黑洞,它是黑的!基本上是看不到的!而且黑洞融合的過程不太會釋放電磁波(如果有,恐怕也難以偵測),所以我們僅能憑藉重力波來發現這類天文事件的存在。

另一方面,中子星的合併可大大不同了。中子星帶有強烈的磁場,早在1960年代,人類即已觀察到中子星產生的電磁波。發現中子星融合產生的重力波意味著,全球各地的天文台可同時利用電磁波望遠鏡實際觀測這起駭人聽聞難得的天文事件。兩方對照下,將大大增進我們對重力波、中子星、和宇宙的理解。

雙中子星合併模擬。磁力線用白色表示。(圖片來源

我們看到了什麼?

這起事件,來自於長蛇座(Hydra)的NGC4993星系,距地球一億三千萬光年。中子星合併的重力波訊號,跨越了漫長的距離和時間來到地球,於2017年8月17日被人類觀測到(代號GW170817);沒多久,全球許多望遠鏡,包括哈伯太空望遠鏡,紛紛將鏡頭指向這個區域,一睹這場一億三千萬年前「正在發生」的天文奇景:兩個約1.1和1.6個太陽質量的中子星互相旋繞、碰撞,最後融合成一個新的星體(尚須持續觀察以確認性質)。過程中,也產生了大量的重金屬和貴金屬,如黃金。事實上,宇宙中的黃金,主要便來自中子星的融合。

中子星質量比黑洞要小,重力波的強度較低、訊號持續比較久,科學家錄得一分多鐘的重力波訊號;約莫同時,費米伽瑪射線太空望遠鏡亦觀察到持續約兩秒的短伽瑪射線暴(short Gamma-ray burst),剛好跟理論預期相符──以往,雖然科學家猜測中子星融合會產生短伽瑪射線暴,但苦無觀測證據,這下子終於等到了!不只如此,伽瑪射線之外的其他電磁波段,也能看到相應的訊號!

歷史的見證

之前黑洞重力波的發現,雖然是偉大的成就,但傳統望遠鏡卻無用武之地。這次雙中子星的合併,我們不但能在LIGO和Virgo的合作下,很好地定位出地點,還是有史以來第一次,重力波觀測能夠和傳統的(電磁波)望遠鏡觀測互相對照。

即使後續還有很多分析和研究工作要做,但此次中子星融合事件,無疑是天文學的另一個里程碑。隨著時代的進步,我們都見證了人類對宇宙探索踏出史無前例的一步!

這次雙中子星合併事件的示意動畫。

LIGO官方發表的簡體中文整理圖。英文版請看這裡

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關於作者

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」