天文太空

宇宙信使揭密中子星合併

天文學家首度觀測到中子星合併的光和重力波,日後除了「看見」、「聽到」這類天文事件,還能加以「品嚐」。

撰文/畢林茲(Lee Billings)

天文太空

宇宙信使揭密中子星合併

天文學家首度觀測到中子星合併的光和重力波,日後除了「看見」、「聽到」這類天文事件,還能加以「品嚐」。

撰文/畢林茲(Lee Billings)


2017年8月17日早晨,天際一道閃光照亮了天文學的新紀元,費米γ射線太空望遠鏡偵測到宇宙中兩顆中子星(大質量恆星死亡並塌縮成異常緻密的天體)合併時發出的γ射線。但就在費米望遠鏡偵測到該訊號數秒後,中子星匯聚之際勾動的時空漣漪猶如閃電後的隆隆雷聲,由地表兩座獨立觀測站偵測到──位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)和位於義大利的VIRGO觀測站。


這類時空漣漪即為重力波,而且較像「聽」到,不是「看」到。天文學家根據重力波通過偵測器的時間及強度,定位出訊號來自距離地球1億3000萬光年的星系。緊接著,各地數以千計科學家同心協力,在不同電磁頻段研究中子星合併後的餘暉,包括γ射線、可見光和微波。


這些工作成果豐碩,觀測數據顯示,中子星合併產生了大量比鐵原子重的元素,證實先前的理論:中子星合併是宇宙中金及其他貴重金屬的主要來源。當偵測到越來越多這類匯聚事件並整合不同頻段的資訊,有助科學家了解中子星(這類恆星殘骸和城市大小相當,但接近黑洞的臨界密度)的內部機制。除此之外,天文學家可比較中子星合併的亮度和發出的重力波強度,定出事件發生的確切距離,這有助於他們探索暗能量(造成宇宙加速膨脹的謎樣力量)的性質。


這次觀測中子星合併所獲得的資訊雖然令人印象深刻,但仍有缺憾。位於南極的冰塊(IceCube)觀測站首席科學家郝爾琛(Francis Halzen)說,他們並未捕捉到這次事件的任何一顆微中子,極可能是這種鬼魅粒子束的軌跡沒有行經地球(南極)。如果把偵測中子星合併的光和重力波比擬為看見和聽到,尋找微中子則像是「品嚐」。


研究人員稱這種合作方式為「多重信使」(multimessenger)天文學,信使是指電磁波、重力波或次原子粒子。這種研究方式始於1987年,天文學家從銀河系一個較小的衛星星系中「看見」並「嚐到」超新星爆炸發出的光與微中子。但直到LIGO和VIRGO開始運作,科學家才有了同時監聽重力波的耳朵。多重信使從許多面向看來,簡直是天文學家最瘋狂的夢想成真;但另一方面,進行這種研究也可謂噩夢一場,因為必須與全球不同觀測站如洪水般湧現的大量數據搏鬥。


美國西北大學的天文學家凱洛格拉(Vicky Kalogera)是LIGO團隊的重要成員,她表示:「我們需要重新思考如何協調多重信使的任務,很快地,我們可能每個月甚至每星期會偵測到一次這類合併事件。以這次事件為例,我們都被迫放下身邊所有事,包括告訴家人和小孩在結果發表前恐怕無法和他們見面。」凱洛格拉認為,合併事件可能很頻繁,到時候大家只得草草研究大部份數據。


冰塊觀測站在2017年9月22日發表的一項新發現,也使多重信使觀測再次展開──定位出一顆高能量微中子的來源。目前已初步確定,該微中子來自一個超大質量黑洞周圍明亮的吸積盤,該黑洞則位於距離我們幾十億光年的星系中心。郝爾琛表示,這項發現代表這類「活躍星系核」很可能是宇宙中多數高能微中子和宇宙射線的來源。他也認為,「天文學家研究宇宙射線源已超過一個世紀,我們距離成功也許僅剩最後一哩路。」


好幾座小型望遠鏡將加入觀測,調查LIGO、VIRGO和冰塊接收的訊號源,但是它們的觀測能力比起大家期盼已久的大型綜合巡天望遠鏡(LSST)明顯遜色許多。LSST主鏡口徑達8.4公尺,預計在2022年展開為期10年的觀測,該望遠鏡位於智利山頂,每隔幾晚會拍攝所有可見天區。LSST將扮演關鍵角色,補足LIGO和VIRGO的「聽覺」或冰塊的「味覺」所無法提供的電磁波資訊。但是,LSST首席科學家泰森(Tony Tyson)解釋:「萬一每晚發生10次重大天文事件,LSST將無用武之地,因為定位任何一個發出重力波或微中子訊號的電磁波源,除了需要望遠鏡觀測數小時,還必須處理百萬兆位元的原始數據。」


然而,多數天文學家都同意,這個領域帶來的希望比挑戰更重要。哈佛大學的天文物理學家羅布(Avi Loeb)研究多重信使天文學的經驗豐富,他表示:「天文學家很少有機會以這類嶄新方式進行研究,看來這一次大自然對我們相當友善。」(洪艾彊 譯)


更多相關文章

2018年02月192期比特幣迎接未來金錢 雜誌訂閱

本期最新文章