在距離地球1.3億光年之遠,兩顆中子星越走越近,在最終猛然碰撞合併的一刻,兩個舊的中子星消失了、一個新的生命誕生了,同時發出一波波宇宙時空漣漪——重力波。這一幕發生在今年8月17日。

由此,科學家證實了愛因斯坦對重力波速度等於光速的預測,並發現中子星激烈撞擊中生成金、鉑等重元素。包括香港中文大學在內的研究機構,昨日同時在全球各地舉行記者會宣佈此一本世紀物理學的重大發現。

研究重力波的激光干涉儀重力波偵測器「LIGO」研究團隊,自旗下三名科學家奪得今年諾貝爾物理獎後,10月16日再宣佈於今年8月探測到由雙中子星合併產生的新型重力波。這是人類有史以來首次探測到雙中子星合併產生的重力波,同時也是人類第一次觀測到來自同一個天文事件的重力波和電磁波,再次證實了愛因斯坦相對論中的觀點。

在星體新舊交替的激烈互動中,其中一小部份時空漣漪(重力波)在宇宙間不斷穿越,經過1.3億光年的旅行,終於到達地球。在地球一端等待的科學家,接收到儀器頻段內的重力波的局部殘痕,讓他們驚喜交加。

見證宇宙重組的聲與光

中子星在宇宙中多次重組,但今天的人類在沒有電磁波望遠鏡和重力波探測器之前,好比聾子和瞎子,既看不到也聽不到。而此次由加州大學聖克魯斯分校天文學家福利(Ryan Foley)領導的團隊,緊張地觀測了上述碰撞,他們看到一道明亮的藍光在碰撞過程中迅速褪變成紅色,立刻拍攝了快照。

「看到這道光時,你的心情會非常複雜,感到幸福、快樂、然後竟是絕望,你可以感受到整個世界之重。」福利說。

用通俗的方法解釋重力波,就像一個池塘中投下一顆石子所引起的漣漪,只不過,重力波是時空的漣漪。也就是說,如果宇宙中發生劇烈變化,如恆星爆炸、黑洞碰撞,都會產生重力波。

這一研究是由美國「激光干涉重力波天文台」(LIGO)和歐洲「處女座」(Virgo)重力波探測器領銜,與全球其它70個地面及空間望遠鏡共同完成的。

證重力波科學家剛奪諾獎

科學家的研究結果發表在《物理評論快訊》(Physical Review Letters)期刊上,由LIGO-Virgo和其他天文學家合作撰寫的系列相關論文也已經被《天體物理雜誌快訊》(Astrophysical Journal Letters)和《自然》(Nature)期刊接受。

100多年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在,到 2015年9月14日首次被科學家探測到而獲得證實。此後人類探測到4宗引力波事件,三名美國科學家因此獲得今年的諾貝爾物理學獎。不過,以前的引力波信號都是來自兩個黑洞的合併,這次則是來自兩顆中子星的合併,首次被人類所探測到。

星體新舊交替 誕生金和鉑

在地球1.3億光年以外,兩顆中子星質量分別為太陽質量的1.1倍以及1.6倍,直徑各約20公里,相距約300公里。它們彼此環繞,越來越快,越來越近,開始延展、扭曲周遭的時空(space-time),以重力波的形式釋放巨大的能量,並以光速向四面八方傳遞。

兩顆中子星在相撞一刻合而為一,釋放出短伽瑪射線暴。之後,天際出現一顆「千倍新星」(kilonova),繼續將大量發光發熱的物質噴向浩瀚宇宙。美國雙子星天文台(U.S. Gemini Observatory)、歐洲極大望遠鏡(European Very Large Telescope)和哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的觀測結果顯示,有包括金、鉑、銀以及 碘、鈾、鉍等重元素在是次過程中形成的跡象,解決了一個長達50年的疑團——比鐵更重的元素(約佔全部元素的一半)的來源。

天文望遠鏡8月18日觀測到中子星相撞後產生「千倍新星」(kilonova)的光芒。(NASA)
天文望遠鏡8月18日觀測到中子星相撞後產生「千倍新星」(kilonova)的光芒。(NASA)

「打開一扇觀察宇宙的窗」

人類此次發現新型重力波具有重大意義。中子星比黑洞質量小,產生的重力波能量更小,信號衰變時間更長。因此探測中子星合併產生的重力波信號,不僅能更精準地驗證愛因斯坦相對論對重力波的預測,還能為研究中子星的起源提供更多的線索。

此外,以前天文學家只能藉由電磁波進行觀測,但很多物質靠電磁波觀測是看不到的。現在測到重力波之後,可以藉由重力波觀測天體,比如黑洞、暗物質等,研究宇宙早期的結構和演化。

美國西北大學(Northwestern University)的天文學家拉爾遜(Shane Larson)表示,重力波天文觀測不是普通的天文望遠鏡觀測方法,可以為人們打開一扇觀測宇宙的窗戶。◇

新型重力波的三個突破

一、首從切實星體研究重力波

此前觀測到的重力波均來自黑洞。黑洞完全由扭曲時空構成,本質上沒有物質,而中子星卻是一個切實星體,因此能深入了解核物質的行為。

二、人類首次「看到」重力波

這次人類首次觀測到重力波及其伴隨的電磁信號,電磁波就是光。通俗地說,前四次發現的重力波都是「聽到」的,且持續時間短暫得不到一秒,而中子星合併產生的信號能持續一分鐘。第五次新發現的重力波,不僅「聽到」了,還能用天文望遠鏡確確實實地「看到」。

三、揭示金、鉑等重元素起源

通過這次中子星簡單劇烈的碰撞和重組,科學家還發現這個過程中產生了大量的重元素,包括鉑、金、銀,以及碘、鈾、鉍。