中子星碰撞為宇宙帶來了豐富的發現

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華盛頓— 兩個超緻密的死亡恆星核心產生了期待已久的宇宙碰撞，為科學家帶來了巨大的財富。

這次事件是第一次直接觀測到中子星的粉碎，中子星是在老化的恆星爆炸並留下富含中子的殘餘物時形成的。 10 月16 日，研究人員在華盛頓特區舉行的新聞發布會上報告稱，碰撞後，攪拌的殘渣形成了金、銀、鉑和少量其他重元素，例如鈾。所知，但它們的起源被大災變的餘輝所揭示。

未參與這項研究的麻省理工學院天文學家安娜·弗雷貝爾 (Anna Frebel) 表示，「這確實是元素週期表中最後缺少的一塊」。 “對於任何在該領域工作的人來說，這裡都是天堂。” 有些科學家計算出，碰撞後，大約十倍於地球質量的黃金被噴入太空。

天文學家利用大約 70 個不同天文台收集的數據，詳細描述了這一事件，並發表了大量描述結果的論文。重力波的震顫8 月 17 日，先進雷射干涉儀重力波天文台 LIGO 發現了這場災難的第一個跡象。

資助 LIGO 的美國國家科學基金會主任 France Córdova 表示：“它已經在改變我們對宇宙的理解，對垂死掙扎的恆星物理學進行了全新的敘述。”

引力顫音之後會產生一系列各種類型的電磁輻射，就像交響樂中的樂器輪流演奏一樣。 伽馬射線爆發後轉變成可見光和紅外光，首次在撞擊後約 12 小時被發現。 一個多星期後，隨著這些波長逐漸消失，X射線逐漸增強，接著是無線電波。

將重力波與中子星合併產生的光結合起來是天文物理學家長期以來的夢想。 麻省理工學院的 LIGO 發言人 David Shoemaker 表示：“通過擁有所有這些來源，你可以拼湊出具有協同作用的圖片。” “你可以做出原本不可能的推論。”

這張詳細的圖片揭示了中子星碰撞的內部運作以及稱為短伽馬射線爆發的短暫高能量光爆發的來源。 研究人員也計算了宇宙膨脹的速度，並測試了中子星內奇怪物質的特性。

對於天文物理學家來說，“這一事件就是羅塞塔石碑”，紐約羅徹斯特理工學院的 LIGO 成員理查德·奧肖內西 (Richard O'Shaughnessy) 說道。

位於美國的 LIGO 的兩個探測器記錄到了這次劇變的明顯跡象：太空本身的晃動持續了大約 100 秒，然後才停止。 這是 LIGO 所見過的最強烈、最長的一系列時空漣漪。 伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的LIGO 成員維琪·卡洛格拉(Vicky Kalogera) 表示，那時，科學家們知道他們發現了一件大事。 。

這種振動是宇宙崩潰的跡象：兩顆繞軌道運行的中子星像坐在倒楣的旋轉木馬上一樣相互旋轉，越來越近，直到它們會聚。 這些中子星的質量為太陽的 1.17 至 1.60 倍，很可能會塌縮成黑洞，儘管 LIGO 科學家無法確定這些恆星的命運。LIGO 先前曾發現旋轉黑洞的合併質量是太陽的幾十倍（SN 線上：2017 年 9 月 27 日）； 繞軌道運行的二重奏的較小質量將矛頭指向中子星。 由於預計黑洞不會發光，隨後的煙火表演證實了中子星的存在。

LIGO 在義大利的姊妹實驗「Advanced Virgo」只看到了微弱的訊號。 卡洛格拉說，這種相對較弱的探測有助於將抽搐發生的範圍縮小到「天空中處女座盲點的一部分」。 這將地點限制在南部天空約 30 平方度的區域內。

重力波訊號發出後僅 1.7 秒，美國太空總署的費米太空望遠鏡在天空的同一區域發現了伽馬射線的微光。 同時，其他望遠鏡也開始行動，捕捉了前所未有的光芒。 「我們看到了一顆看起來像一顆新星的東西，」哈佛大學的天文學家 Edo Berger 說道，他領導的一個團隊使用智利布蘭科望遠鏡上的 DECam 發現了這顆光。 伯傑的團隊是觀察到爆炸光的幾個團隊之一。 這次探測將距地球 1.3 億光年的長蛇座星系 NGC 4993 確定為碰撞地點。 「有那麼一刻令人難以置信：哇，我們真的做到了。 我們找到了它，」伯傑說。

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那餘輝也揭示了一個關於恆星煉金術的驚人故事：隨著恆星的死亡，元素誕生了。 當碰撞將富含中子的物質噴射到太空中時，形成了一群重元素，透過稱為 r 過程的一系列反應（序號： 2016 年 5 月 14 日，第 14 頁 9）。 在這個過程中，需要一個充滿中子的環境，原子核迅速吞噬中子並進行放射性衰變，從而轉變為新元素，然後再恢復中子盛宴。 r-過程被認為產生了大約一半比鐵重的元素。

科學家在後續觀測中發現了這個過程的特徵性發光，稱為千新星。 「直到這次事件之前，我們從未在自然界的任何地方直接看到這些重元素的鍛造過程。 現在我們做到了。 “這種感覺就像你發現了大自然的某種秘密。”

此前，天文物理學家對於 r 過程發生的位置存在分歧：兩個最重要的候選者是爆炸的星星稱為超新星（SN：2017 年 2 月 18 日，第 17 頁 24）和中子星合併。 儘管科學家還不能確定是否所有的r過程元素都是在中子星合併中產生的，但這種碰撞產生的數量似乎足以解釋宇宙中發現的豐度。

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伽馬射線揭示了更多的財富。 科學家發現了一種稱為短伽馬射線爆發的現象，這是一種短暫的高能量光爆發，持續時間不到兩秒。 這種發作相對常見，每年在天空中出現約 50 次。 但紐約石溪大學的理論天文物理學家羅薩爾巴·佩納表示，找到它們的來源是「天文物理學中長期存在的問題」。 探測結果證實了這一點：短伽馬射線暴來自中子星面對面。

透過研究中子星如何向內旋轉，天文物理學家也首次測試了中子星物質的「柔軟性」。 這種極端物質的密度非常大，一茶匙的質量約為十億噸，科學家們並不完全了解它在受擠壓時會如何反應，這一特性被稱為「狀態方程式」。 測量這種特性可以讓科學家更了解這種奇怪的材料。 儘管結果無法確定中子星是否是軟的，但一些預測超軟中子星的理論被排除了。

中子星的結合也為研究人員提供了測量宇宙膨脹率的機會，方法是使用重力波測量碰撞距離，並將其與星系發出的光的波長因膨脹而被拉伸的程度進行比較。 科學家先前曾透過其他方法測量過這種被稱為哈伯常數的特性。 但這些測量結果存在分歧，讓科學家們爭先恐後地解釋這種差異（SN：2016 年 8 月 6 日，第 16 頁 10）。

芝加哥大學 LIGO 合作成員 Daniel Holz 表示，現在，科學家們有了「一種完全不同的、獨立的測量方法」。 新的測量結果表明，距離遙遠的星系之間每間隔百萬秒差距，就會以每秒約 70 公里的速度擴散。 它恰好落在之前的兩個估計值之間：每百萬秒差距 67 公里/秒和 73 公里/秒。 儘管這次碰撞還不能解決爭論，但未來的合併可能有助於改進衡量標準。

「這些都是令人難以置信的重大進步，」霍爾茲說。 “這真的是一種瘋狂的刺激。”

興奮之情尚未平息。 加州大學聖克魯斯分校的天文學家 Ryan Foley 是第一個發現合併產生可見光的團隊的人：“這無疑是我職業生涯中最大的發現，也可能是我一生中最大的發現。 ”

編者註：隨著更多資訊的出現，本文將全天更新。