中子星碰撞金鉑滿堂

2017年10月中旬，科學家宣布探測到時—空組構中的漣漪——引力波，而這些引力波來自於一對死亡恆星——中子星的相互碰撞。這是科學家首次目睹兩顆中子星的合併。這一發現或許有助於破解幾十年來的一大奧秘：宇宙中的許多重元素是怎麼產生的？

2017年10月中旬，科學家宣布探測到時—空組構中的漣漪——引力波，而這些引力波來自於一對死亡恆星——中子星的相互碰撞。這是科學家首次目睹兩顆中子星的合併，這一發現或許有助於破解幾十年來的一大奧秘：宇宙中的許多重元素是怎麼產生的？現在，我們就來解讀一下這項大發現及其對於我們了解宇宙來說為什麼那麼重要。

早在1916年，大科學家愛因斯坦就在科學界首次預測了引力波的存在。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力波源自質量對時—空組構的扭曲。當一個有質量的物體移動時，它會產生以光速穿行的引力波，沿途會拉伸和擠壓時-空。

由於引力波很弱，所以探測引力波的難度很大，甚至就連愛因斯坦也不確定引力波是否真的存在。在愛因斯坦預測引力波存在之後100年，科學家運用「激光干涉儀引力波天文台」（簡稱LIGO），在2016年首次探測到引力波存在的證據。這項工作在2017年10月讓3位科學家獲得了該年度的諾貝爾物理學獎。

基於廣義相對論預測的黑洞合併模擬。

LIGO使用美國的兩部探測器（其中之一位於美國路易斯安那州的利文斯頓，另一部位於美國華盛頓州的漢福德），感知引力波穿過物質時造成的翹曲。其中每部探測器的形狀都像是英文大寫字母L，並且每部探測器的高度和長度分別都一樣。這樣一來，激光柱穿越探測器的時間也相同。然而，如果引力波穿越地球，它們就會讓探測器的支柱拉伸或壓縮一個光子直徑的萬分之一長度，而這些時—空扭曲（翹曲）會讓每部探測器都探測到一種瞬時發生的時間差異——激光柱下穿一部探測器的支柱和下穿另一部探測器的支柱所花時間的差異。

因為LIGO的兩部探測器相距大約3000千米，所以引力波要花10毫秒才能從一部探測器穿行到另一部探測器。科學家運用這一到達時間差，來測量引力波來自何方。隨著更多的引力波探測器（例如位於義大利比薩附近的Virgo）連線，科學家能更好地確定引力波的來源。

Virgo探測器。

漢福德LIGO天文

漢福德LIGO，用混凝土包裹的真空管。

漢福德LIGO的干涉儀北

LIGO利文斯頓

LIGO最容易探測到的是最強的引力波，它們是在超大質量物體相撞時釋放的。LIGO及其他探測器此前探測到的所有引力波，都來自於黑洞的合併。現在，科學家運用LIGO和Virgo,首次探測到源自中子星合併的引力波。

像黑洞一樣，中子星也是恆星在災難性爆發（被稱為超新星）中死亡所留下的殘餘。當一顆恆星經歷超新星階段時，恆星物質崩塌，形成一個緻密的核。如果這個核的質量足夠大，就會形成黑洞。黑洞的引力非常大，就算是光也逃不出黑洞。但如果核質量沒那麼大，就會形成一顆中子星。中子星的得名，是因為它的引力大得足以把質子和電子壓在一起，形成中子。

雖然中子星的個頭通常都小，直徑只有大約19千米，但它們的密度極大，以至於一顆中子星的質量就可能相當於太陽的質量。一茶匙的中子星材料，竟然重達大約10億噸，這讓中子星成為宇宙中除了黑洞之外最緻密的天體。

中子星（示意圖）。

2017年8月17日，升級版的LIGO和Virgo探測到一個擁有超高能量的引力波信號。美國加州理工學院女科學家加斯里沃說，這個信號的超高能量相當於銀河系亮度能量的10億倍。加斯里沃也是「全球瞬變觀測天文台」項目的首席科學家，這一國際合作項目致力於觀測像中子星合併這樣的宇宙瞬變事件。加斯里沃解釋說，這個引力波信號在其出現時間裡（大約60秒鐘）的能量，足以超越銀河系中的1000億顆恆星。正是這次信號出現事件，讓科學家首次目睹了兩顆中子星的合併。該信號來自於如此合併的主要線索之一，是信號的持續時間長度。事實上，這是迄今為止探測到的持續時間最長的引力波信號。

黑洞比中子星更緻密，所以來自於黑洞合併的信號相對短暫。加斯里沃介紹說，此前探測到的黑洞合併信號只持續一兩秒鐘，而最近這次信號事件持續了近一分鐘。該信號來自於中子星碰撞的另一個主要線索是：產生這些引力波的天體的質量。引力波的頻率取決於產生引力波的天體質量——頻率越高，天體質量越低。產生新引力波信號的兩個天體質量分別是太陽質量的1.3倍和1.5倍，這是中子星的典型質量。與之相比，LIGO首次探測到的黑洞合併所涉及的每個黑洞的質量，都是太陽質量的大約30倍。

兩顆中子星合併之前的情景（想像圖）。

雙中子星產生的引力波（示意圖）。

雖然此次新信號的能量很高，但它依然遠遠低於黑洞合併所產生的引力波信號能量水平。這次中子星合併，把相當於大約2.5%的太陽質量的物質轉化成了能量。可別小看這個2.5%，它代表著巨大的能量。然而，LIGO首次探測到的黑洞合併，竟然把相當於3倍太陽質量的物質轉化成了能量，這一能量超過迄今為止所見的任何東西的能量。

迄今為止，LIGO已經探測到4次黑洞合併和1次中子星合併。一些科學家預測，中子星合併可能比黑洞合併更常見。但也有一些科學家認為，情況或許正好相反。加斯里沃解釋說，雖然中子星合併在任何體積內都更常見，但是黑洞合併的能量更強大，因而很遠處的黑洞合併都能被探測到，而距離較遠的中子星合併卻不見得能被探測到。

最終，升級版LIGO和升級版Virgo把這次新事件的源頭定位到天空中一個28平方度的區域——GW170817。與之相比，從地球上看到的滿月只佔天空中大約0.2平方度的區域。

科學家們迅速行動，採用常規望遠鏡和引力波望遠鏡觀測這一事件：首次探測來自一個引力波源頭的光線。與此對比，黑洞合併不會產生任何光線，這意味著常規望遠鏡觀測不到黑洞合併。在幾周時間裡，科學家運用一系列望遠鏡，分析來自這次中子星合併的射電波、紅外波、可見光、紫外光、X射線和伽馬射線暴。位於智利的一部大型望遠鏡，成功將GW170817定位到位於長蛇座、距離地球大約1.3億光年的星系NGC4993。這是科學家首次把引力波事件與一個已知星系聯繫起來。科學家把這一事件的源頭簡稱為SSS17a。

加斯里沃解釋說，運用LIGO和Virgo，他們發現這場合併的地點只可能是49個星系。通過區分優先順序，他們根據星系質量大小來尋找這次中子星合併所在地。具體而言，科學家估算每個星系中的恆星數量，由此估計星系中發生中子星合併的概率。最終，科學家發現這個中子星合併的源頭就是他們搜索名單上的第三個。

GW170817事件（示意圖）。

SSS17a迅速變暗，光的顏色從偏藍轉為偏黑——這一信號表明，中子星合併的殘骸以接近光速迅速膨脹，然後在行進過程中降溫。科學家說，這次中子星合併產生了「千倍新星」，也就是說，這次合併、爆發的強度是一次典型恆星爆發（即新星）的1000倍都不止。加斯里沃等人估計，這次中子星合併噴射的物質量相當於大約1萬個地球質量。

科學家估計，這場合併產生的物質射流以接近光速向外噴射，移動路徑與從地球上看去的視線偏離大約30°。科學家探測到的所有光線，都來自於環繞射流的一個繭狀物質團。科學家預計，未來大約30%的中子星合併會產生地球上可探測到的明亮伽馬射線。

想像圖：從千倍新星出現之前（左下）到出現9天後（右上）。

宇宙大熔煉，黃金滾滾來（示意圖）。

這次合併噴射的物質發出光線，其光譜顯示這些物質中包含新合成的元素。這一新發現證實了科學家70年來的預測：中子星的合併足以合成諸如金、鉑和鉛之類的重元素。科學家長期以來一直清楚，較輕的元素是合成來的，其中大多數氫和氦來自於宇宙大爆炸（宇宙發端時期），元素周期表上一直到鐵的元素大多是在恆星核中鍛造出來的。然而，比鐵重的元素中有一半的來源都不清楚。加斯里沃說，這次新發現提供的首批確鑿證據證明，中子星合併是宇宙中比鐵重的半數元素的起源地。

這次對引力波和中子星合併的觀測，不僅證實了理論預測，而且讓科學家估算了合併後產生的物質數量及化學組成。科學家推測，這次合併產生的重元素質量大約是太陽質量的6%，其中僅僅是金元素總質量就達地球質量的200倍，鉑元素的這個數值則為500倍。

迄今為止仍不清楚這場中子星合併的產物有哪些。這兩顆中子星的合併質量為太陽質量的大約2.7倍，這個質量介於中子星和黑洞之間。加斯里沃說，迄今為止發現的最大中子星質量約為太陽質量的2倍，迄今為止發現的黑洞最小質量是太陽質量的5倍。因此，這場中子星合併的結果要麼是迄今為止所見的最大質量中子星，要麼是迄今為止所見的最小質量的黑洞，或者說，一顆超大質量的中子星將坍縮成一個黑洞。究竟會發生那種情況？仍需拭目以待。加斯里沃說，這是宇宙學中需要探索的一個新領域。