天文學家目擊中子星相撞

兩顆中子星相撞時產生的視覺效果(右)及其附近時空的扭曲(左)

近十來年，天文學重大突破之一是成功地協同觀測中子星相撞時產生的引力波和電磁波信號。這一發現始於2017 年8 月17 日(故編號為GW170817)： 隨著激光干涉引力波天文台(LIGO) 和室女座干涉儀(Virgo)合作組對引力波的發現、定位以及費米伽馬射線空間望遠鏡(Fermi)的快速認證，超過70 多台地面和空間探測設備在X射線、可見光、紅外、射電等波段捕獲了該併合事件產生的輻射。

這次聯測是包括引力波在內的「多信使天文學」的首個成功案例，且為重元素(如金)的起源提供了線索。同時，使用引力波和可見光聯測中子星併合也為研究宇宙膨脹提供了一種獨特的手段。此外，這一發現結束了長久以來關於持續時間較短的伽馬射線暴起源的爭論。

一聲巨響驚天動地

GW170817是LIGO(位於Hanford和Livingston 的探測器都有記錄)探測到的5 起引力波輻射事件中最「強」的一個。這一信號同時也被位於義大利Pisa 附近的Virgo 引力波台站發現，但是強度很低。就在這一事件三天前的8 月14 日，Virgo 還首次探測到雙黑洞併合引力波信號。這說明Virgo 運轉良好， 意味著GW170817 事件應該來自Virgo 探測器靈敏度較低的某一方位。

GW170817 引力波信號持續達百秒，這使得LIGO-Virgo 團隊可以將這一事件定位於28 平方度的天區。後續電磁波段觀測進一步確定該信號源位於距離地球1.3 億光年的星系NGC4993。通過對引力波信號的分析，天文學家估計每顆中子星的質量在1.1到1.6倍太陽質量之間。

「對於這許許多多的第一次，我們已經做了若干振奮人心的研究」，LIGO團隊的成員，英國格拉斯哥大學引力研究所的所長Sheila Rowan如此說。例如，引力波事件約2 秒後發生短伽馬射線暴，表明暴是由中子星碰撞所致，解決了所謂的「高能天體物理領域最重大的謎團之一」(Francesco Pannarale教授之語)。

幾乎同時到達的伽馬射線信號也確認了引力波是以光速傳播的。這種協同觀測遙遠天體光和引力波信號的手段還可以讓物理學家對愛因斯坦的廣義相對論進行更加嚴苛的檢驗。新發現甚至還幫助天體物理學家排除了一些中子星組分模型。

遺憾的是， LIGOVirgo團隊並未能直接探測到中子星併合瞬間的引力波，因為那時信號頻率過高、探測器靈敏度不夠。所以，研究者並不確定在併合之後到底發生了什麼。一種可能是兩顆中子星併合成為一顆新的中子星，而更大的可能是二者併合成一個被吸積盤包圍的黑洞(也許會經過中子星過渡階段)。

當這個盤狀的物質被吸入黑洞時，一束快速運動的物質噴流會沿著黑洞轉軸的方向射出。這些物質在跟星系中的氣體碰撞時不斷減速，同時輻射伽馬射線。當這束噴流距黑洞更遠時能量不斷降低，表現為8 月17 日之後幾周內在其他波段觀測到的電磁信號。

煉製重元素

新的發現同時也揭示了比鐵重的元素的起源之謎。研究者目前認為，當兩顆中子星碰撞時會拋射出可合成重元素的豐中子物質。這些重核通過放射性衰變成為穩定同位素，並被拋散在宇宙中。該衰變過程所產生的輻射很特別，最初被智利的Swope 望遠鏡發現，隨後還被其他若干望遠鏡成功記錄。

天文學家又有了新的手段來度量不同距離處宇宙的膨脹，即哈勃常數的測量。根據引力波的強度和偏振可確定引力波源的距離，再通

過測量宿主星系光譜紅移則可確定其相對我們的退行速度。這樣即可重新計算哈勃常數，結果也與其他方式的測量吻合。

GW170817 事件已被廣泛研究。「我們還試圖發現一些新東西，相關數據也會被繼續分析」，美國佛羅里達大學的Imre Bartos 教授說道，GW170817這類事件絕不會是稀有的，「未來一定將看到更多這樣的事件！」。

(北京大學李雲煬、徐仁新編譯自Hamish Johnston. Physics World，2017，(11)：4)

本文選自《物理》2017年第11期

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