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双中子星并合,“宇宙最大烟火表演”激动人心,我们看待宇宙的方式要变了吗?

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双中子星并合,“宇宙最大烟火表演”激动人心,我们看待宇宙的方式要变了吗?

Dennis Overbye2017-10-19 14:04:08

此次发现的关键在于人类探测到了从遥远星系发出的引力波,它的传播过程会使宇宙的时空结构发生扭曲,宛如池塘水面上的层层涟漪。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载* 

周一天文学家宣布,他们已经“看到”并“听到”双中子星并合产生的时空涟漪,这是人类首次窥见创造出宇宙中大部分金银重金属的剧烈天体物理过程。

这起被称为“千新星”的双中子星碰撞事件,发生于距离地球 1.3 亿光年的长蛇座南部。碰撞发生时,整个星系为之震颤,“烟火”被抛向全宇宙。8 月 17 日,该天文事件触发太空中和地球上的监测仪,用于研究时空涟漪的探测器发出响亮的信号。全世界的天文学家都沸腾了,他们纷纷用望远镜进行观测,期望能解开长久以来吸引人们不断探索的宇宙未解之谜。

长期以来,天文学家猜测,此类爆炸事件是宇宙中包括金、银和铀等贵金属在内的大部分超重元素的起源。不管是你的结婚戒指,还是埃及法老的宝藏,亦或是摧毁广岛、至今仍对人类构成威胁的原子弹,它们所含的全部原子都是在响彻整个宇宙的“敲锣秀”中产生的。

中子星是恒星爆炸崩溃后坍缩而成的高密度核心。当一对中子星以接近光速的速度相互碰撞时,“敲锣秀”就会上演。中子星质量和太阳相当,直径却只有曼哈顿那么长,具有超强的磁场和引力场。

艺术家所描绘的 8 月 17 日双中子星并合现象。图片版权:Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science

天文学家通过研究爆炸过程中抛射出的火球,断定双中子星碰撞时产生质量超出地球很多倍的金粉云团,从而确认千新星就是古老的宇宙炼金术的实践者。

美国西北大学(Northwestern University)天文学家维基·卡罗基拉(Vicky Kalogera)说:“这是我们首次发现验证猜测的证据。”周一,在世界各国举行的新闻发布会和学术会议上,包括卡罗基拉在内的数千名天文学家报告了他们的研究结果。

大量相关论文被发表在各大学术期刊上,其中刊载在《天文物理期刊通讯》(Astrophysical Journal Letters)上的一篇论文,作者署名竟高达 4000 多人。卡罗基拉博士和另外 9 人是这篇论文的实际撰稿人,她说:“这篇论文的写作过程让撰稿团队痛不欲生。”

艺术家所描绘的在芝加哥天际线映衬下的中子星。中子星直径约 20 公里,密度极高。图片版权:Daniel Schwen/Northwestern, via LIGO-Virgo

还有更多的论文出现在《自然》(Nature)、《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters)和《科学》(Science)杂志上,主题涉及核物理学和宇宙学等。

美国“激光干涉引力波天文台”(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)项目执行主任、加州理工学院(California Institute of Technology)的戴维·雷泽(David Reitze)说:“这是全宇宙最大的烟火表演。”

LIGO 科学合作组织(LIGO Scientific Collaboration,专门从事引力波研究的大型科研团队)成员、芝加哥大学(University of Chicago)天体物理学家丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)说:“我想不起在我有生之年,科学界还发生过哪起类似的事件,能让人类对宇宙产生这么多惊人的洞见。”

此次发现的关键在于人类探测到了从遥远星系发出的引力波,它的传播过程会使宇宙的时空结构发生扭曲,宛如池塘水面上的层层涟漪。100 年前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾预言,当黑洞等超大质量的物体旋转时,时空会像碗里的果冻一样发生震荡。不过直到 2016 年,LIGO 探测到两个恒星量级黑洞并合产生的引力波信号时,人类才最终确认它的存在。该探测结果引起巨大轰动,有 3 位科学家凭借在引力波研究方面的突出贡献在本月获得诺贝尔物理学奖

图片版权:美国国家光学天文台

对于研究人员来说,此次探测结果在某种程度上比最初的发现更有价值。这是人类第一次观测到普通天文学家可以“看到”并研究的引力波信号。LIGO 之前探测到的引力波均来自双黑洞并合。黑洞完全由扭曲时空构成,并非切实的星体,所以无法用肉眼和天文望远镜进行观测。

而中子星是切实的星体,密度极大,仅一茶匙物质的质量就堪比珠穆朗玛峰。中子星发生碰撞时,会放射出包括伽马射线、X 射线和无线电波在内的全电磁波谱辐射,而这些都能被天体监测仪器捕捉到。

LIGO 科学合作组织发言人、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)物理学家戴维·休梅克(David Shoemaker)说:“普天同庆。”

这是一个关于“宇宙淘金热”的故事。

事件发生于美国东部时间 8 月 17 日早上。当时休梅克博士正在通过 Skype 进行视频通话,警报声突然响起。这是 LIGO  位于华盛顿州汉福德的监测器探测到疑似引力波信号后,自动发出的警报。LIGO  在华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿分别设有监测器,它们通过监测两面镜子之间的距离,捕捉引力波经过时引起的空间微小扭曲现象。汉福德监测器探测到的引力波信号转化为声音后,是一段长达  100 秒的啁啾声,其在结束时音调突然到比中央 C 还高两个音阶,信号频率达到  1000 赫兹。这么高的频率说明,相互旋转的物体比黑洞的质量要轻。

休梅克博士和同事检查列文斯顿的探测数据调查其未发出警报的原因。他们发现警报器原本也发出了同样的啁啾声,不过受严重噪音干扰,没有被听到。

仅在 LIGO 发出啁啾警报 2 秒后,环绕地球运行、探索宇宙高能辐射的费米伽马射线太空望远镜探测到短暂的伽马射线暴。该伽马射线暴只持续了约 2 秒的时间,属于短暴范畴。天文学家猜测,短暴是由中子星碰撞引起的。

休梅克博士说:“看到探测结果的一刹那,我的肾上腺素激增。”

收到警报时,卡罗基拉博士正在犹他州山区为观测在 8 月份出现的日全食做准备。她回忆说,当时内心的想法是:“天啊!50 年悬而未决的谜题,天文界的圣杯,终于被解开了。”

综合这两个信号,人们可以知道双中子星如厨房用搅拌器的刀片一样相互旋转的过程。

周一,天文学家在华盛顿国家新闻俱乐部举行新闻发布会,阐述引力波天文学的重大进展。图中从左到右依次是:国家科学基金会主任弗朗丝·科尔多瓦、LIGO 项目执行主任戴维·雷泽、LIGO 科学合作组织发言人暨麻省理工学院物理学家戴维·休梅克及西北大学天文物理学家维基·卡罗基拉。图片版权:Alex Wroblewski/《纽约时报》

不过这起双中子星并合事件是在哪里发生的呢?

幸运的是,欧洲的“处女座”(Virgo)探测器在两周前加入了引力波探测系统,它也接收到微弱的啁啾声。实际上,这个信号如此微弱,科研小组只将它定位到了长蛇座的一个小区域,而这里恰巧是处女座探测器的盲区。

搜寻工作由此开始了。当时长蛇座位于南边的夜空,要等到 11 个小时后,智利的天文学家们才可以开始搜寻。

科学家中的一员是瑞安·福莱(Ryan Foley),他和位于智利、由卡内基学会管理的拉斯·坎帕纳斯山天文台(Cerro Las Campanas)的团队一起工作。团队列出了那个区域最大星系的名单,然后开始系统地进行拍照。

火球出现在了所拍的第九个星系中,这是位于外缘的 NGC 4993,那个针尖大小的蓝色光点就位于这个距离地球 1.3 亿光年以外的星系。福莱博士说:“这是人类历史上第一次搜集到了来自千新星的光电子。”

10 分钟之内,另一组由布兰戴斯大学(Brandeis University)玛塞勒·苏亚雷斯-桑托斯(Marcelle Soares-Santos)率领的天文学家团队,利用位于附近拉斯·坎帕纳斯山天文台的望远镜、能够拍到大面积天空的暗能量相机,也捕获了同一道光。

电子邮件开始在智利的夜空中飞来飞去。

一开始被识别出时,人们发现这个 8000 度的火球差不多有海王星的轨道那么大,辐射出了相当于太阳能量 2 亿倍的能量。

9 天以后,绕地球飞行的钱德拉 X 射线天文望远镜(Chandra X-ray Observatory)探测到了来自那次爆发区域的 X 射线,一周以后,新墨西哥州的甚大天线阵(Very Large Array)射电望远镜也记录到了射电辐射。当时火球已经从蓝色褪成了红色。

结合这些信息,科学家们开始拼凑出 NGC 4993 星系里发生的故事。

哈勃望远镜拍摄的照片,显示了 2013 年一个火球放射出的伽马射线。图片版权:美国国家航空和航天局/欧洲航天局

2010 年提出千新星(kilonova)这个术语、哥伦比亚大学理论学家布莱恩·戴维·梅茨格(Brian David Metzger)说:“能预测自己所看到的东西实际上还挺让人吃惊的。”

根据分析人员卡罗基拉博士的说法,这次融合的物体很可能是绕着对方转动的恒星残留物,两个残留物都膨胀变大,然后在超新星爆炸中死去(巨大恒星在 110 亿年前停止了发光),根据对它们旋转的合理估计,这些中子星约是太阳大小的 1.1 到 1.6 倍,正好位于已知的中子星大小范围内。

随着它们以每秒一千次的频率相互旋转着靠近对方,潮汐力将其表面向外拉起。大量被梅茨格博士称为“中子星内脏”的物质被喷射出来,融合过程中的两颗星周围形成了巨大的甜甜圈状物。

它们接触的瞬间,一道震荡波将更多的物质从星球的极地位置挤了出去,但环状物和极端的磁场将物质限制住,变成了超高速的喷射流,发出了放射性的伽马射线。

随着喷射流速度减缓,遇上星系中的气体,就开始发出 X 光线,然后是电磁波。

被称为中子的亚原子物质同时也在施展宇宙炼金术。普通物质的原子大部分是空的:只有一个小小带正电荷的原子核和不带电的中子被包裹在一片带负电荷的电子云中。然而在超新星爆炸带来的巨大压力下,这些电子会被挤压回质子,变成比原子核密度要大得多的中子。

这场大碰撞将中子释放到太空中,淹没了周围的原子,将它们变成了重元素。这些新形成元素的辐射让火球保持了高温并持续发光。

梅茨格博士估计,在数天时间里,大约生成了重量相当于 40 到 100 个地球的黄金并被抛向了太空。在未来漫长的时间里,这些黄金会被融入新的恒星或行星,在遥远的将来会成为某个外星人社会里的珠宝。

这个发现填补了一个长久以来的知识缺口:在已被普遍接受的关于宇宙起源的解释中,物质是如何从纯氢元素和氦元素生成并分布到宇宙各个地方的。根据 1950 年代的经典论文,恒星和超新星能够生成铁一类的元素,但比铁重的元素需要一个名叫 r-process 的热核化学反应和大量的自由中子。这些物质是从哪里来的呢?

一个理论是中子星碰撞,也就是千新星。如今这个理论似乎注定要像塑造了宇宙历史的超新星爆炸、黑洞撞击一样,加入宇宙级灾难之列。

直到这之前,人们只有千新星的间接证据。天文学家们在 2013 年的一场伽马射线爆发中发现了一个火球,但没有证据表明中子星参与其中。现在天文学家确认它们确实参与了,完善了大爆炸最开始的图景。

一个迫切的问题是撞击残余物质的命运。根据 LIGO 的数据,剩下的物质约等于 2.6 个太阳。科学家们说现在他们没法确定它们是否直接坍缩成了一个黑洞,还是形成了一个巨大的中子星,究竟是在宇宙中停留了数秒后才消失还是继续作为一颗中子星留在原地。卡罗基拉博士说他们也许永远也没法搞清楚了。

中子星是目前已知密度最大的稳定物质。在其上增加任何一点超过限度的质量都会使其坍缩成黑洞,但没人知道这个限度是多少。

未来对更多千新星的观察能够帮助物理学家理解引发坍缩的临界线到底在哪里。

芝加哥大学的天体物理学家霍尔兹博士说:“我仍然不敢相信我们能这么幸运。”他例举了一系列偶然的情况,比如三个探测器仅仅运行了几周,这是人类历史上记录下距离地球最近的伽马射线爆发,也是迄今探测到的最强引力波。“一切都太完美,简直不像是真的。但我们确定这就是真的,恍若梦中。”


翻译 熊猫译社 夏鱼 Harry

题图来自Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science、视觉中国、unsplash

© 2017 THE NEW YORK TIMES

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