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某科學の超電報

從中子星合併產生的重力波訊號, 解開宇宙中黃金形成之謎!

中央大學天文所研究團隊在科技部計畫補助下,參與美國加州理工學院主導之「全球瞬變現象聯測網(Global Relay of Observatories Watching Transients Happen, GROWTH)(註1)」,而GROWTH對LIGO所偵測到之重力波結果加以確認來源之研究成果,則為人類首次之發現!本次發現不但驗證了愛因斯坦廣義相對論,未來也有助於解開宇宙中黃金形成之謎。這項重要成果"Illuminating Gravitational Waves: A Concordant Picture of Photons from a Neutron Star Merger"刊載在最新一期的國際頂尖期刊《科學》(Science)上。

我國天文團隊與研究成果:探高計畫(TANGO)主持人中央大學葉永烜教授(右),台灣參與GROWTH 計畫主持人饒兆聰教授(後),俞伯傑博士(中)。

「全球瞬變現象聯測網 (GROWTH)」是由美國加州理工學院主導,全球共8個國家包含美國、日本、德國、英國、瑞典、以色列、印度及台灣共14個研究所(含18座天文台)組成的團隊。我國則以科技部計畫補助下之葉永烜院士(註2)、饒兆聰教授(註3)和俞伯傑博士(註2)及鹿林天文台(註4)所組成之團隊,藉由本部長期補助之探高計畫(TANGO)(註2)及參與臺美雙邊PIRE國際合作計畫(註3)機會加入GROWTH,以此投入國際天文合作研究。此次成果亦使鹿林天文台再次躍上國際聯測研究舞台。

我國鹿林天文台與其一公尺望遠鏡:參與全球聯測計畫,追蹤重要的天體瞬變現象,為東亞唯二參加的天文台之一。

百年前愛因斯坦的廣義相對論早就預測了重力波存在,但是偵測極為困難,只有當極度緻密的天體,例如黑洞、中子星等天體合併才發出足夠的訊號。2017年諾貝爾物理獎頒發給萊納·魏斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorn)以及巴瑞·巴利許(Barry Barish),表彰他們設計建造重力波偵測器LIGO以及人類首次偵測到重力波的成就。LIGO團隊在2015年9月14號首次探測到由兩個黑洞合併所產生的重力波,之後陸續觀測到合計四次因黑洞合併所產生的重力波,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測。然而,由於前幾次重力波事件只有美國LIGO偵測器進行觀測,對於重力波源的定位能力有限,無法得知重力波源自哪一個星系。

由於歐洲重力波Virgo偵測器的加入觀測,在本(2017)年8月17日LIGO首次偵測到由中子星合併所產生的重力波(編號GW170817)事件中,位於智利Las Campanas天文台因此標定重力波來源之可能星系(編號NGC4993),並發現一個可能的光學對應體。於是GROWTH團隊以其全球聯測網,在往後兩個星期利用全球各波段的望遠鏡,包含可見光,紅外,無線電,及X射線波段,對其做後續追蹤觀測,以觀測結果與中子星合併理論模型進行比較後,發現GW170817重力波與LIGO前幾次因黑洞合併造成的重力波事件不同,依此確認這是由兩個中子星碰撞合併所產生的重力波事件。

中子星合併發生的地點:位於夏威夷的泛星計畫(Pan-STARRS) 望遠鏡所拍攝的星系NGC4993可見光影像。白色圓圈為中子星合併發生的地點。

由於現今的超新星爆炸理論無法解釋宇宙中重金屬的形成,因此重金屬(例如黃金)的形成過程還是個謎題。而新的理論認為在中子星合併的過程會產生「快中子捕獲過程(r-process)」形成比鐵更重的元素,而有助於解釋像黃金這類的重金屬形成。這次偵測到中子星合併所產生的重力波與後續的多波段觀測,將成為重力波天文學的先導,並有助於人類解開宇宙中的重金屬形成的謎題。

科技部記者會合照:左起為國立中央大學物理系張元翰教授、國立中央大學天文所饒兆聰副教授、國立中央大學天文所俞伯傑博士、科技部自然司吳俊傑司長、國立中央大學天文所陳文屏所長。

備註

  1. GROWTH團隊:GROWTH團隊是由美國加州理工學院主導,利用全世界在不同時區的望遠鏡對發生瞬變現象的天體做接力觀測,以便得到完整的光變曲線。
  2. 探高計畫(TANGO,Taiwan New Generation Optical Astronomy):科技部補助之大型國際合作計畫(含鹿林山天文台),主要參加加州理工學院Palomar Transient Factory(簡稱PTF)計畫,利用在美國加州南部帕羅馬天文台的P48(1.2m)廣角望遠鏡,P60(1.5m)望遠鏡及P200(5m)望遠鏡的組合進行巡天觀測。PTF的後續計畫為iPTF以及明年初將開始的ZTF(Zwicky Transient Facility)巡天計畫。PTF/iPTF/ZTF計畫其中一個主要的科學目標是尋找重力波來源的光學對應體。另外,探高計畫其中的工作目標之一的近紅外相機已經完成購置,並暫時與夏威夷大學天文所以合作方式,安裝於該所的UH88(2.2m)望遠鏡上,進行測試以及科學研究工作。因UH88望遠鏡所處的位置觀察條件絕佳,將是台灣以後對重力波源在近紅外波段後續追蹤觀測的重要據點。
  3.  PIRE國際合作計畫:由NSF所主辦之國際合作計畫,目標是建立強大的科學研究和教育合作夥伴關係,有效的運作全球化的團隊,使來自不同國家和文化背景的合作夥伴共同合作,以促進更卓越的研究,同時也創造及增進學生和年輕的研究人員參與實際性的國際研究經驗。PIRE計畫通過國際合作促進卓越科學與工程的發展,有利於培植多元化,全球性的科學和工程人員。
  4. 鹿林天文台網站

附記

歐美合作團隊主要記者會

  • 歐洲南方天文台(ESO):台北時間10月16日下午10時
  • 美國NSF & LIGO/Virgo Team:台北時間10月16日下午10時
  • 美國加州理工學院GROWTH Team:台北時間10月17日上午0時

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