中子星併合威力多大？甩出重達300個地球的黃金

　　2017-10-18 07:44:40　來源: 澎湃新聞(上海)

　　

　　10月16日，在位於南京市的中科院紫金山天文台舉行的新聞發布會現場，中科院紫金山天文台工作人員展示2017年8月18日南極巡天望遠鏡AST3-2觀測窗口期觀測引力波光學對應體模擬演示圖片。新華社 圖

　　澎湃新聞記者 虞涵棋

　　北京時間10月16日22時，全球各大天文台一起刷屏。被「重磅預警」吊足了胃口的讀者，發現並不是找到了外星人的存在，而是「雙中子星併合產生的引力波，及其光學對應體」。中子星是什麼？引力波是什麼？光學對應體又是什麼？最重要的是，這和日常生活有什麼關係？

　　如果一定要說和我們的日常生活最緊密的聯繫——那就是，科學家們這次證實了，中子星併合，是宇宙中比鐵還重的元素的起源，比如我們熟悉的金子。換句話說，中子星併合，是宇宙的大型煉金爐！

　　宇宙中的金子，從何而來？

　　長久以來，科學家們都無法確定宇宙中的金、鉑、鈾等重元素從何而來。

　　宇宙早期只有氫、氦等氫元素，一顆恆星的命運就從這裡開始。在恆星隨後的演化過程中，隨著核聚變反應，質子數更高的重元素得以生成。然而，宇宙天然的核聚變，最重只能產生到包含26個質子的鐵元素。這是因為，鐵元素的核子結合能到達了一個頂峰，把其中的質子和中子拆開，需要極高的能量，恆心內部這個「煉金爐」，並不能滿足。

　　科學家們一度認為，恆星壽命末期的超新星爆炸，足夠提供這種能量。然而，這個假設逐漸被後續的發現擊破。

　　宇宙需要一個更大、更熱的煉金爐。

　　在過去幾年間，天文物理學家們開始形成主流認識：中子星併合是最有說服力的機制。

　　中子星的密度有多大？一茶匙重達10億噸

　　當一個恆星走向壽命盡頭，經由引力坍縮發生超新星爆炸，根據質量的不同，內核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。中子星幾乎完全由中子構成，是目前已知的最小、緻密的恆星。中子和質子一樣，都是組成原子的粒子，但呈電中性，比質子略大。

　　中子星的半徑普遍在10公里左右，質量卻可超過兩個太陽。一茶匙中子星物質就重達10億噸。

　　1933年，人類發現了中子。次年，美國物理學家沃爾特·巴德（Walter Baade）和瑞士弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）提出了中子星的假設。

　　1967年，24歲的劍橋大學女研究生喬斯林·貝爾（Bell）從射電望遠鏡中發現了一些有規律的脈衝信號。這類新的天體後來被命名為脈衝星，其實，它們本質上是高速旋轉的中子星，在旋轉過程中周期性地發射出電磁波。

　　中國貴州「天眼」射電望遠鏡近日成功捕獲到了脈衝星信號，標誌著中國進入脈衝星觀測俱樂部。

　　兩顆中子星圍繞共同的中心旋轉，就構成了一個雙中子星系統。它們在旋轉過程中會不斷釋放引力波，導致系統的能量降低，軌道縮小，並最終撞在一起，發生併合。科學家們現在還不確定併合后的形態，很可能是一個黑洞。

　　併合：電光石火，金銀迸濺

　　超鐵元素就誕生在此時。雙中子星併合過程中，不斷甩出一些中子星碎塊——大部分是中子，少數是質子。

　　在碰撞發生的一秒鐘內，這些中子星碎塊擴散到數十公里開外，形成一團與太陽密度相當的雲。在這個「煉金爐」中，中子和質子們互相俘獲，形成大量富含中子的不穩定的同位素。中子會迅速衰變為質子，形成金等重元素。

　　據估計，中子星的一次碰撞，能夠形成足有300個地球那麼重的黃金。這些 「宇宙焰火」的餘燼，被撒入廣袤無垠的宇宙，其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開採鍛鑄，成為人類手中的金幣，項上的首飾……

　　這次為中子星併合形成重元素提供重要佐證的，就是併合后的光點顏色由藍變紅，與理論模型預測相吻合。

　　「宇宙焰火」的餘暉

　　這個越來越紅的光點，就來自「光學對應體」：Li-Paczynski macronova(巨新星)。

　　該現象由1998年首次預言的中國天文學家、北京大學教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。

　　2010年，普林斯頓大學的Metzger與合作者發現該現象的亮度能達到新星的1000倍左右，因而也被稱為「千新星」。

　　除了可見光和紅外線外，中子星併合時形成的吸積盤會在旋轉軸處形成伽馬短暴，該信號在引力波到達地球2秒鐘之後也被觀測到。在其後數周內，這場大併合仍會繼續發出其他頻段的光，包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波等，是「宇宙焰火」漫長的餘暉。

　　回到事件的開頭。在這場「煉金」的「宇宙焰火」中，引力波扮演了怎樣的角色呢？

　　原來，前面提到的可見光、紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等，都是電磁波，是由光子承載的光學信號。長期以來，這幾乎是科學家們用於感知宇宙的唯一一扇窗口。

　　而引力波是由質量引發的時空扭曲，被人形象地比喻為「時空的漣漪」。當我們想象一件有質量的物體落入水面，就會產生一系列振動傳播看來。我們的宇宙也如水面一般，整體平靜，暗流洶湧，質量的擾動會觸發引力波，散播開來。中子星併合事件，就能產生較為強烈的引力波。

　　引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論，然而，因宇宙中傳到地球的引力波過於微弱，愛因斯坦本人也想不到探測的方法。這個「時空的漣漪」，最終在2015年由LIGO團隊實現。

　　LIGO過去4次探測到的引力波，均由黑洞觸發。黑洞吸收光線，可謂「聽到看不著」。這次，LIGO在識別出比黑洞質量小得多的天體——中子星觸發的引力波信號后，全球70多架望遠鏡紛紛指向1.3億光年外的NGC 4993星系，觀看「焰火」。

　　從此，人類對浩瀚宇宙的感知方式，從單純的「看」之外，又增添了一種，可相互印證。科學家們稱之為，「多信使天文學」時代。

　　這或許比我們找到金子的起源更為重要。