專業 物理

特別情商,由中子星爆撞賣力演出之「雙波記」

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撰文者:作者Andrew Grant,中文編譯:林中一教授
發文日期:2017-12-18
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  • 2017年8月17日的時候,重力波雷射干涉儀天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)和她的姊妹天文台Virgo都偵測到了一重力波。在信號消失不到兩秒鐘之內,費米伽馬射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-Ray Space Telescope)確認了在南方天空發出的一道閃光。雖然那需要花好幾個小時才能完成查證,但兩個中子星發生爆撞的前後期都已經被研究者們看到了[1]。

    在接下來幾個星期的驗證期間,70座在太空和地面的望遠鏡收集了這一次伽馬射線暴(GRB)事件整個的電磁光譜數據。這個天文大事件發生的地點是在一百三十萬光年之外NGC4993銀河的長蛇座。在2017年10月16日刊出的50篇科學論文紀錄了這一次的發現,其蘊含的意義遠超過重力波天文學。

    這次觀察到的事件證明了:至少有一些短時間的伽馬射線暴是由中子星的相撞引發的。它提供了證據顯示潮汐力(tidal forces)將超密的天體撕裂開來,接續的爆炸產生了像金、鉑、和鈾這一類的重金屬。它甚至提供了新的方法來測量宇宙膨脹率。也排除了一些對廣義相對論(也就是愛因斯坦的重力理論)的修正。總的來說,這個發現綱列了許多能訴求於重力波與電磁天文台合作解決的研究問題。


    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424簽中大獎了

    自從50年前美國的人造衛星在監看蘇聯的核子試爆時瞥見了一次之後,天文學家們就困惑於伽馬射線暴的來源是什麼。不過有一級主暴時間短於兩秒鐘的特殊的短伽馬射線暴,其來源就被認為是由中子星併合(neutron star merger)所引發的(參見《今日物理》(Physics Today)2005年11月號p.17)。

    以往要將城市大小的球體之間的相撞與伽馬射線暴連繫在一起是不可能的,直到LIGO和Virgo出現之後,科學家們才能透過這些針對偵測重力輻射最佳化的設備,觀察到一個緊密雙星系統最後的陣痛。天文學家們並沒有找到LIGO最初的四個偵測中任何一個的電磁對手,而這些電磁輻射是來自據信會發射少量輻射的黑洞併合時放射出來的。

    2017年8月17日偵測到的重力波信號立刻引起注意。LIGO位於路易斯安納州和華盛頓州的兩具偵測器在超過一分半鐘的時間裡記錄到了3300個振盪,這個時間是LIGO先前的四次個別收錄時間的500倍。信號持續的時間和的形狀表現出了中子星們的軌道共舞。合併有2.7個太陽質量的這兩個中子星,最終不是合而為一個大的中子星,就是變成一個黑洞。

    儘管LIGO偵測器所測量到的是強烈信號,但是座落在義大利的Virgo只記錄到微弱的光點。那個時候VIRGO天文台才剛開始運作了幾個星期(參見2017年9月27日線上《今日物理》文章「LIGO與Virgo搭檔觀察黑洞併合」”LIGO and Virgo team up to spot black hole merger”)。 研究者們很快的對這個觀測的差別有了結論,就是碰撞發生在VIRGO天文台的盲點,這也使得波源的位置被由190平方度(square degrees)窄縮到了28。而費米太空望遠鏡的伽馬射線暴監視器的1100平方度的監控範圍則剛好涵蓋了目標區(請見圖1)。在位置與時間點之間,費米與LIGO-Virgo合作團隊的科學家們確信他們觀察到的是同一個事件。
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    圖1. 區域定位。LIGO和Virgo的重力波偵測器將8月17日的中子星併合發生地點限縮了到28平方度的區域,就是圖中墨綠色的部分(實際的位置在紅色x處)。那個區塊正好落在費米伽馬射線暴偵測器設定的邊界之內(藍色部分)也在費米與INTEGRAL 望遠鏡的數據(灰色區域)重疊的部分。(改編自參考文獻2)

    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424一個偏向的重金屬噴發

    大約在費米望遠鏡偵測到那道閃光的10小時後,座落在智利的斯沃普望遠鏡(Swope Telescope in Chile )看到了那道噴發的可見光副本(請見圖2)。在接續的幾個星期內,許多座望遠鏡都浸泡在來自NGC4993方向的光子裡。那些觀測2為這個天文併合的過程以及後續繪製了一幅生動的圖畫。
     
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    圖2. 眼見的確認。 圖中箭頭指處係位於智利的斯沃普望遠鏡所得到的8月17日伽馬射線暴的第一個眼見的觀測。隨後的發光趨向紅色。(承蒙1M2H團隊/聖塔克魯斯加州大學及卡內基天文台/萊恩.福理(1M2H Team/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley)同意刊登)

    不像沒有內部結構的黑洞,中子星是會受到潮汐力的影響的。潮汐力會在軌道頻率達到大約50赫茲後明顯增強。哥倫比亞大學的梅茲格(Brian Metzger)估計潮汐力的強拉再加上後續的碰撞會剝去大約百分之一太陽質量的富含中子物質。雖然他懷疑併合會短暫的產生一個更大的中子星,然而終極的產物(一秒鐘之內就會形成)則可能是一個快速旋轉的黑洞,外面還環繞著一個快速生長的碎片碟。被超強磁場所驅動,多數的碎片會以接近光速的速度以噴射流的形式噴發出來。在噴射流射出之後,激起的噴出物會在併合的前期製造了伽馬射線暴。

    這並非原型的噴發。雖然這個事件是測量到距離最近的短伽馬射線暴,但是伽馬射線的強度比預期的弱了好幾個數量級。此外,天文學家們通常在一瞄準他們的望遠鏡後就會觀察到的X-光和無線電波卻遲遲的分別在伽馬暴後9天和16天後才到達。這些因素引導了研究者們得到一個結論,就是碎片噴射流的方向並非直接朝向地球。噴射流花了好幾天才慢了下來,截面積才變得夠寬來引發出一些落在這些天文學家視線上的亮光。科學家們幾十年來一直在搜索這種偏離軸線方向的伽馬射線暴以及它的「孤兒餘暉」(orphan afterglow)。這一次的發現暗示,在大約20%的短伽馬暴中有許多缺少了X-光分量的事件是發生在相對附近的偏離軸線事件。

    鑑於觀測伽馬射線、X-光、與無線電波的望遠鏡在對於瞭解伽馬射線暴是不可或缺的,紫外光、可見光、與紅外光量測確認了一個十幾年來的預測,就是自由中子可能在碰撞地點轉換為重元素。梅茲格說,一旦這個接近光速的噴射流噴出後,噴出物雲的分佈會膨脹開來而且開始形成為數眾多的元素,最重的可以到達鐵元素。在第一輪的原子核合成過程之後,噴出物雲還是很熱,而且擠了一堆比質子數目多了差不多10倍的中子。已成形的原子核快速的在中子完成衰變之前就將之大口吞下。只需幾秒鐘的時間,這種快速的中子捕捉機制(或稱r-過程)鍛造了一萬個地球質量的金、白金、鈾、以及其他的重元素。

    這些重元素產品中的不穩定同位素會經由核分裂、-衰變與-衰變而破裂,但這些過程會使得噴出物雲加溫與發光。由於經過一天之後,噴出物雲發光的亮度大約達到一顆典型新星(nova)的一千倍,所以這種輻射驅動的烈焰被稱為「千新星」(kilonova)。由千新星所觀測到的光譜與梅茲格3和同僚們十多年前的預測高度吻合。

    將中子星併合與千新星連在一起是非常關鍵的,因為天文物理學家們長久以來在辯論,到底是什麼偉大的洪荒事件給宇宙播下了r-過程產生元素的種子。許多理論學家,雖然理論模擬在製造原子核合成的適當條件上遇到了麻煩,仍偏愛「核心崩塌超新星」(core-collapse supernovae)的說法(參見2004年10月號《今日物理》p. 47,寇文與賽樂曼(John Cowan and Friedrich-Karl Thielemann)的文章)。但現在這個假說有了危機。結合併合過程中產生的重原素質量與中子星碰撞的頻率(即使是很悲觀的估計),可以輕易的解釋為什麼在太陽系裡r-過程生出的元素是這麼多。科學家們現在可以很有信心的說宇宙裡很多的金、白金、以及幾乎所有的鈾,都是在中子星併合中製造出來的。


    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424宇宙學上的應用

    除了探索噴發過程中的種種細節,研究者們開始探討更大圖像的問題。結合了由重力波信號定出的到波源距離與光學方法量出的併合地點所在銀河系的紅位移,他們估計了與宇宙膨脹率相關的哈伯常數(Hubble constant)。這一次的初始估計很粗略:是在62 km s–1 Mpc–1 與 82 km s–1 Mpc–1 之間。但是未來的偵測會將範圍縮小。哈伯常數的量測目前有透過宇宙微波背景(cosmic-microwave background)分析所得到的結果(大約68 km s–1 Mpc–1)和透過像是1a型超新星這一類的標準燭光得到的(73 km s–1 Mpc–1),兩者之間有3個標準差的差異。往後透過改進後的重力波相關測量,就可以讓重力波社群在哈伯常數的數值上插個兩嘴。

    在旅行了一億三千萬光年後幾乎同時到達地球的重力波與伽馬射線也具有宇宙學上的意涵。就是有一些理論學家提議以修正重力在大尺度的行為做為宇宙持續驅動膨脹的另一種選擇;許多這一類的理論需要重力波的速率要比光速還快,不過我們現在已經知道這種情況並不會發生。

    除非有另一個併合藏在這一次LIGO-Virgo的數據裡,不然下一次的重力波偵測最早也要在明年秋天才會進行—這是由於兩座天文台會因為設備升級而暫時關閉。然而對這一次偵測結果的分析將會讓科學家們在這段時間裡或更久的時間裡保持忙碌。正在進行的工作包括確定潮汐力的強度,這個資訊能有助於決定中子星的組成與密度的輪廓。


    參考文獻
    1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017).
    2. B. P. Abbott et al., Astrophys. J. Lett. 848, L12 (2017).
    3. B. D. Metzger, Living Rev. Relativ. 20, 3 (2017).


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, December/2017 雜誌內(Physics Today 70, 12, 19 (2017); http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3783);原文作者Andrew Grant。中文編譯:林中一教授,國立中興大學物理系。
    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Andrew Grant, and are published on Physics Today 70, 12, 19 (2017); http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3783). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.
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