形上集

GW170817

這一起重力波觀測結果源自雙中子星碰撞,重力波天文學迎來滿載收穫。

撰文/高涌泉

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GW170817

這一起重力波觀測結果源自雙中子星碰撞,重力波天文學迎來滿載收穫。

撰文/高涌泉


GW170817是近來最振奮人心的科學發現。知名期刊《自然》在報導這項發現時這麼說:「大自然有時候真是慷慨。」另一知名期刊《科學》則引用一位天文學家的話:「這真是大自然給我們的一件大禮。」另一位則說:「一切太過漂亮,幕簾忽然間升起,我們所看到的事,很接近長久以來我們所設想的。」


GW170817是個代號,GW指的是重力波,170817指的是日期,即2017年8月17日,所以GW170817代表的就是今年8月17日所發現的重力波。注意科學新聞的人都知道,重力波是在前年9月首次偵測到(GW150914)。完成這件歷史性科學任務的是LIGO(雷射干涉儀重力波觀測站)團隊,領導LIGO的三位科學家韋斯(Rainer Weiss)、巴瑞許(Barry Barish)與索恩(Kip Thorne)因此獲得2017年諾貝爾物理獎。自前年9月至今,LIGO還發現了好幾個重力波,GW170817是LIGO所發現的第六個重力波。在此我應該補充一件事:除了LIGO,世界上還有其他搜尋重力波的團隊,其中之一是Virgo,這個團隊主要由法國與義大利資助,其干涉儀位於義大利比薩。LIGO與Virgo是合作者,因此所有重力波發現的論文都一起列名,只是Virgo的偵測器到了今年才開始貢獻數據。


既然GW170817只不過是已發現的好幾個重力波之一而已,何以特別令人拍手叫好?理由是在它之前的五個重力波都是由互相繞行的兩個黑洞在最後匯聚階段所發出,但GW170817是由互繞的兩顆中子星最後撞在一起時所發出的。之前的重力波訊號至多維持一、兩秒,頻率由數十赫茲升至100多赫茲,而GW170817則延續約100秒,最高頻率可升至數百赫茲。經分析,發射GW170817的兩顆中子星皆比太陽重一點,總質量大致為太陽質量的2.8倍,它們距離地球1.3億光年,比之前的雙黑洞系統更接近地球許多。


好戲在重力波通過LIGO/Virgo干涉儀之後才要上場,因為在GW170817訊號結束之後1.7秒,離地表550公里、由美國航太總署(NASA)運作的「費米γ射線太空望遠鏡」偵測到持續約兩秒的高能γ射線(這麼短暫的γ射線稱為「γ射線爆發」)。在大家互通訊息之後,很快便了解GW170817與γ射線的來源相同,也就是兩者都是在雙中子星匯聚時產生。其實理論學家早就推測,在中子星合併的最後時刻,短於兩秒的「γ射線爆發」會以準直的γ射束發射出來,卻苦無觀測數據做為佐證,終於GW170817提供了明確的證據。反過來,γ射線的出現也為重力波的真實性多添一分保證。


不過,好戲不會這樣就落幕,因為我們可以從GW170817通過LIGO/Virgo三座干涉儀的時間與強度推算雙中子星的可能方位,而將其範圍限制在南半球天空的某個區域(約100來個月球大小)內。這件事的意義是這樣子的:依理論,兩顆中子星的撞擊,除了產生之前說過的窄束γ射線爆發之外,還會在一段時間內向四面八方發射X光、可見光、紅外光與無線電波等不同波長的電磁輻射,強度會隨時間而變。天文學家當然不會放過觀測這些輻射的機會,便立刻把各類望遠鏡朝向LIGO/Virgo所指出的方位,果然就在NGC4993星系邊緣找到新的電磁輻射源。全球有近1/3的天文學家參與了這項觀測。


理論學家研究宇宙中元素的由來,所得結論是在數十種比鐵重的元素當中,過半(包括金與銀)來自所謂的「中子快捕獲過程」。天文學家從電磁輻射觀測數據得到了此過程發生於雙中子星合併時的證據,他們估計此次中子星碰撞產生的重元素質量是地球質量的1萬6000倍,其中有10倍地球質量的金與鉑。在GW170817之後,很多人認為宇宙中多數的金與鉑就是來自雙中子星合併。


兩年前人們說LIGO的發現開啟了重力波天文學,但沒人料到這門新學問這麼快就獲得這麼大的成果。


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