“醒醒！”一位天文學(xué)家對(duì)另一位天文學(xué)家喊道。這一喊引發(fā)了一次快節(jié)奏的國(guó)際合作，讓我們就最近歷史時(shí)期內(nèi)對(duì)宇宙的理解有了重大飛躍。
LIGO與中子星相撞的六大驚人真相
LIGO發(fā)現(xiàn)引力波與中子星相撞事件
2016年2月，科學(xué)家宣布，他們使用全新方式觀察宇宙時(shí)首次探測(cè)到了引力波——兩個(gè)合并的黑洞大碰撞時(shí)在宇宙產(chǎn)生的漣漪。這是歷史上的重大發(fā)現(xiàn)。
什么是LIGO？
之后，同一望遠(yuǎn)鏡LIGO（全稱激光干涉引力波天文臺(tái)）又探測(cè)到了三次黑洞合并事件，證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論作出的重要預(yù)測(cè)。這一探測(cè)對(duì)我們理解宇宙而言非常重要，因此LIGO科學(xué)家巴里·巴里什（Barry Barish）、基普·索恩（Kip Thorne）和雷納·韋斯（Rainer Weiss）在這個(gè)月初榮獲了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這周，LIGO與來(lái)自全球各地其他70個(gè)天文臺(tái)的天文學(xué)家強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，再次為我們帶來(lái)了重大新聞。他們首次探測(cè)到了由兩顆中子星最終相撞產(chǎn)生的引力波，通過(guò)觀察電磁譜目睹了這一事件，而這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了多波段天文學(xué)與多信使天文學(xué)新時(shí)代。
這可是一則大新聞，自從八月探測(cè)到引力波以后數(shù)月，天文學(xué)家還在就這一話題談?wù)摬恍?。事?shí)證明，要讓天文學(xué)家保守秘密是一大難事。一些科學(xué)家在推特上泄露了信息，不過(guò)更加明顯的是，突然之間，全世界幾乎所有最大和最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始同時(shí)望向一個(gè)區(qū)域——1.3億光年外看似平平無(wú)奇的一個(gè)星系。諸如哈勃望遠(yuǎn)鏡、綠岸望遠(yuǎn)鏡和費(fèi)爾米望遠(yuǎn)鏡等大型望遠(yuǎn)鏡都公開(kāi)發(fā)布了當(dāng)前的觀察對(duì)象。有許多非公開(kāi)消息稱，《自然》雜志發(fā)表了一篇文章，總結(jié)了自八月份以來(lái)所有的相關(guān)小道新聞。
為什么天文學(xué)家會(huì)對(duì)這一發(fā)現(xiàn)這么興奮，為什么你也應(yīng)當(dāng)如此，有六大原因。
1.兩顆中子星合并還從未被觀察到過(guò)。
2017年8月17日，LIGO望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了一個(gè)清晰的信號(hào)，但它持續(xù)的時(shí)間要比黑洞合并時(shí)發(fā)出的信號(hào)長(zhǎng)得多，能持續(xù)一分鐘之久，后者只有幾秒。LIGO科學(xué)家不斷仔細(xì)查看這些信號(hào)，希望能找到與有著十幾萬(wàn)種模版的模板庫(kù)匹配的地方。換言之，進(jìn)行匹配的軟件要辨別探測(cè)到的信號(hào)是否與模型預(yù)測(cè)的觀察對(duì)象一致，包括任何特殊合并事件。不像LIGO所有之前的探測(cè)結(jié)果，信號(hào)都來(lái)自遙遠(yuǎn)的黑洞合并事件，8月17日，科學(xué)家有史以來(lái)在南半球首次探測(cè)到了兩顆中子星最終相撞事件，其中一顆質(zhì)量為太陽(yáng)的1.1倍，一顆為太陽(yáng)的1.6倍，距離我們1.3億光年。
中子星密度非常大，是恒星衰亡之際發(fā)生超新星爆炸后留下的殘骸。他們完全由中子組成，密度比原子核大三倍。中子星質(zhì)量一般是太陽(yáng)的一至兩倍，直徑20至25千米，或只和紐約市曼哈頓區(qū)差不多長(zhǎng)。
模型顯示，首先只有一顆中子星相對(duì)安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)著，接著第二顆中子星出現(xiàn)，接近之，并與其構(gòu)成一個(gè)雙星系統(tǒng)在宿主星系中穿梭。據(jù)廣義相對(duì)論，中子星互相環(huán)繞時(shí)，該雙星系統(tǒng)在逐漸丟失能量，向外輻射引力波。這就是LIGO探測(cè)到的信號(hào)。
它們終將相撞，成為宇宙中最猛烈、震撼的事件之一。不過(guò)，這些我們之后再說(shuō)。
2.中子星相撞事件來(lái)之過(guò)快，科學(xué)家未來(lái)得及發(fā)現(xiàn)其宿主星系。
即使有兩個(gè)探測(cè)設(shè)備（一個(gè)在美國(guó)路易斯安那州，一個(gè)在美國(guó)華盛頓），LIGO也只能將信號(hào)源定位到1 000平方度以內(nèi)的區(qū)域，而這一面積太大，無(wú)法有效縮小信號(hào)源所處的范圍。
然而，就在此時(shí)，LIGO的姐妹天文臺(tái)——位于意大利卡希納的VIRGO天文臺(tái)——在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行升級(jí)之后，于八月初再次投入使用。LIGO與VIRGO一起工作，將探測(cè)到的同一信號(hào)定位到了30平方度的區(qū)域以內(nèi)。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，費(fèi)爾米望遠(yuǎn)鏡幾乎在LIGO、VIRGO探測(cè)到信號(hào)的同一時(shí)間發(fā)出了警報(bào)，這使他們得以進(jìn)一步縮小信號(hào)源所在的范圍。正是該發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家喊出一聲“醒醒”，并引發(fā)了一系列快速行動(dòng)和集中探索。費(fèi)爾米項(xiàng)目科學(xué)家朱莉.埃內(nèi)里（Julie McEnery）表示頭天早晨是“費(fèi)爾米項(xiàng)目執(zhí)行九年以來(lái)最激動(dòng)人心的時(shí)刻”。
費(fèi)爾米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡用來(lái)探測(cè)宇宙中的伽馬射線——光最高的能量形式，如有所發(fā)現(xiàn)，會(huì)像科學(xué)家發(fā)出警報(bào)。INTEGRAL（國(guó)際伽馬射線天體物理實(shí)驗(yàn)室），歐洲一所伽馬射線天文臺(tái)，后來(lái)同樣探測(cè)到了著名的短期伽馬射線暴。通過(guò)LIGO、VIRGO和費(fèi)爾米望遠(yuǎn)鏡聯(lián)手合作，科學(xué)家得以將中子星相撞事件的發(fā)生區(qū)域縮小至大約50個(gè)星系。
3.科學(xué)家首次探測(cè)到引力波和電磁波來(lái)源于同一物體。
探測(cè)到伽馬射線暴與產(chǎn)生引力波的中子星相撞事件在同一時(shí)間出現(xiàn)，幫助科學(xué)家定位了信號(hào)源，但還不僅如此。這首次意味著，電磁輻射（我們經(jīng)常說(shuō)到的一種光線，從X射線、紫外線，到可見(jiàn)光、紅外線）和引力波都能用來(lái)觀察天體。因此，“多波段天文學(xué)”已不再是天文學(xué)的最終目標(biāo)，我們現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入“多信使天文學(xué)”時(shí)代。
但是天文學(xué)家沒(méi)有止步于發(fā)現(xiàn)伽馬射線。全球天文學(xué)界都快速行動(dòng)起來(lái)，嘗試探測(cè)中子星相撞后很久就會(huì)消失的余波。不過(guò)，來(lái)自費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)布蘭迪斯大學(xué)的瑪塞爾·蘇亞雷斯—桑托斯（Marcelle Soares-Santos）稱這一嘗試如同大海撈針，而且針在越變?cè)叫?，直至消失，大海也在不斷流?dòng)。
斯沃普超新星搜索團(tuán)隊(duì)正面臨這一挑戰(zhàn)。在使用LIGO探測(cè)的12小時(shí)期間，他們發(fā)現(xiàn)，在LIGO、VIRGO和費(fèi)爾米望遠(yuǎn)鏡識(shí)別到的一個(gè)相關(guān)區(qū)域中，有一個(gè)星系在發(fā)出明亮的可見(jiàn)光，之前可不存在這一現(xiàn)象。在被稱作NGC 4993星系發(fā)現(xiàn)的千新星事件是由兩個(gè)中子星合并產(chǎn)生的首個(gè)可視性爆炸事件。僅在一小時(shí)內(nèi)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了六種不同的強(qiáng)烈的可見(jiàn)光，其重要性和引力波相當(dāng)。
在接下來(lái)幾天至幾周，全球70多架望遠(yuǎn)鏡，包括七架位于太空之中的天文臺(tái)和分別位于世界七大洲（甚至包括南極洲）上的七架望遠(yuǎn)鏡，都得以探測(cè)到該光源發(fā)出的可見(jiàn)光、X射線、紅外線和無(wú)線電波。
大衛(wèi)·雷茲（David Reitze）是LIGO的執(zhí)行主任，他將探測(cè)到多種信號(hào)稱為“從無(wú)聲電影時(shí)代來(lái)到了有聲電影時(shí)代”。LIGO代理發(fā)言人勞拉·卡爾博納蒂（Laura Cardonati）稱，發(fā)現(xiàn)其他各種電磁波和引力波就像人身置維蘇威火山爆發(fā)的3D電影之中，而之前他們只能從黑白照片觀察這一場(chǎng)景。維姬·卡羅格拉（Vicky Kalogera）是LIGO團(tuán)隊(duì)的一名天體物理學(xué)家，她首次總結(jié)稱：“我們能聽(tīng)到兩顆中子星陷入死亡漩渦的聲音，能看到它們最終合并時(shí)迸發(fā)出的煙火?！?/p>
4.引力波的發(fā)現(xiàn)幫助我們進(jìn)一步驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的理論。
愛(ài)因斯坦不僅預(yù)言了引力波的存在，還預(yù)言了引力波與電磁輻射的傳播速度相等，即在以光速傳播。在LIGO和VIRGO探測(cè)到引力波后，F(xiàn)ERMI與INTEGRAL又探測(cè)到了伽馬射線暴，其持續(xù)時(shí)間不足兩秒。兩種輻射到抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡視野所需的時(shí)間相似，而這一巧合有力地證明了它們的確在以相同速度傳播。中子星合并發(fā)出的信號(hào)持續(xù)時(shí)間比黑洞合并的長(zhǎng)，也可能為廣義相對(duì)論提供了更多確鑿的證據(jù)。
5.中子星合并事件為重金屬來(lái)源這一謎題帶來(lái)了答案。
盡管元素周期表上的所有元素看似地位相同，但事實(shí)上，比鐵更重的元素實(shí)則有一段不為人知的歷史。輕元素在形成如氧或碳之類較重的輕元素時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能量，但要形成如金子、鋁、鈾之類更重的元素時(shí)，則需要能量。有些元素需要消耗大量能量才能形成，而這一過(guò)程必有外力相助，因此有一個(gè)長(zhǎng)期存在的疑問(wèn)：這些元素是如何形成的？
天文學(xué)家預(yù)言，如像超新星爆炸或中子星合并引發(fā)的劇烈碰撞可粉碎原子，從而產(chǎn)生這些重元素。然而，LIGO和VIRGO探測(cè)到中子星合并之前，天文學(xué)家還沒(méi)能在任何天文事件中觀察到過(guò)重元素形成的直接標(biāo)志。實(shí)際上，哈佛大學(xué)天文學(xué)教授埃多·伯杰（Edo Berger）稱，中子星合并產(chǎn)生的所有重元素總質(zhì)量為地球的近16 000倍，光是黃金和鋁的質(zhì)量就為地球質(zhì)量的10倍。這是數(shù)不盡的金銀財(cái)寶??！
6.要是中子星合并晚九天發(fā)生，我們可能會(huì)錯(cuò)過(guò)。
NGC 4993星系的這兩顆中子星最終合并、毀滅，花費(fèi)了110億年，為讓一顆遙遠(yuǎn)的星球——地球——上的天文學(xué)家們走上了一條激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)之旅。探測(cè)到這一事件的時(shí)間為8月14日，九天后，LIGO便暫停使用，在接下來(lái)一年里進(jìn)行升級(jí)。也即，兩顆中子星相互圍繞運(yùn)轉(zhuǎn)了110億年，如果它們的最終合并時(shí)間為九天之后，LIGO就會(huì)完全錯(cuò)過(guò)這一事件。
和該振奮人心的新科學(xué)發(fā)現(xiàn)一道而來(lái)的，還有LIGO新提出的更多問(wèn)題：兩顆中子星合并后會(huì)留下什么？是黑洞嗎？還是又一顆中子星？我們?cè)诮窈竽苡龅礁啻祟愂录幔?/p>
美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主任弗郎士·科爾多瓦（France Cordova）表示，這一準(zhǔn)備了幾十年的跨國(guó)合作，是我們“要跨越自身知識(shí)局限的這份勇氣”的絕佳證明。雷茲表示，有了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“上世紀(jì)80年代（創(chuàng)建LIGO時(shí)）理性的'放手一搏’，我們才能在今天擊出一支全壘打”。
BY: Sabrina Stierwalt
FY: Astromancer
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參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3.原文來(lái)自：
本文由天文志愿文章組- Astromancer翻譯自文章作者Sabrina Stierwalt的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除。
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