科學發現：“品嚐”到極端天文事件


圖片來源：Pixabay
天文學家利用智利拉坎帕納斯天文台的Swope望遠鏡，對發生於2017年8月17日的這次中子星並合進行了定位。
費米伽馬射線太空望遠鏡瞥見了來自宇宙某處兩顆中子星（大質量恒星坍塌死亡時形成的極致密星體）並合而迸發的伽馬射線。不過，伽馬射線並不是這個並合過程唯一的產物，就在這之後的幾秒鍾裏，並合產生的時空漣漪已經在另兩個天文台間——美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）和意大利Virgo天文台——蕩漾開來，就像那閃電過後的滾滾雷鳴。


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這些漣漪便是引力波，而對它們的探測更像是“耳聞”而非“目睹”。根據引力波到達的時間和強度，天文學家在距地球1.3億光年外找到了並合發生的準確位置。隨後，全世界數千名科學家開始從伽馬射線到可見光，再到無線電波的整個電磁波段上共同研究這場並合所遺留的餘波。
付出終有回報。觀測顯示，並合過程產生了大量比鐵更重的元素，這證實了中子星碰撞是宇宙中金等重金屬元素的主要來源。將來，結合更多類似碰撞的觀測數據和研究結果，我們或許能一探中子星的內部機製。這些城市般大小的恒星遺體是如此的致密，它們距坍塌成黑洞也不過一步之遙。此外，通過比較並合所發出輻射的亮度和引力波的強度，天文學家可以測算出它的具體位置。這些信息將有助於探索暗能量的性質，這種神秘的力量被認為是導致宇宙加速膨脹的原因。
首次觀測到中子星的並合可謂收獲頗豐，但稍有遺憾的是，位於南極的冰立方中微子天文台（Ice-Cube observatory）未能找到此次碰撞所噴發的中微子。冰立方天文台的首席科學家弗朗西斯·哈爾岑（Francis Halzen）解釋說，原因很可能是這些鬼魅般的粒子是成束噴發的，而地球剛好錯過了它們。如果把對射線和引力波的探測分別比作“看”和“聽”中子星碰撞的話，找到中微子就像“品嚐”一樣了。


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研究人員將這種聯合研究方法稱為“多信使”（multimessenger）天文學，電磁輻射、引力波或者亞原子粒子都可以充當天文學的信使。1987年天文學家首次提出了這一構想，當時觀測到了銀河係一個小衛星星係中的超新星爆發，天文學家既看到了爆發產生的光，還“嚐”到了爆發釋放的中微子。不過直到今天，科學家才可以開始豎起耳朵傾聽引力波，這得感謝LIGO和Virgo天文台的建立。在很多方麵，多信使方案都實現了天文學家的一個大膽夢想。盡管如此，他們還是需要麵對來自不同觀測機構的、洪水般的海量數據。
“我們需要認真考慮該如何應對，因為很快我們每個月甚至每周都會觀測到類似這次碰撞的天文事件，”美國西北大學天文學家、LIGO研究小組重要成員薇姬·卡洛傑拉（Vicky Kalogera）說，“這次碰撞奪走了大家的生活。我們每個人都放下了手頭所有的事情，告訴自己的家人和孩子，隻有等結果公布才能再見。”並合過程可能將被頻繁觀測到，卡洛傑拉說，其中的大部分都不會像這次一樣被毫分縷析地研究。
然而，冰立方中微子天文台已經發起了又一次全球多信使研究戰役，這次的對象是2017年9月22日觀測到的一個高能中微子源。目前的追蹤結果顯示，它來自於一團閃爍的塵埃盤，塵埃盤圍繞一個距我們十億光年之遙的星係中心的超大質量黑洞運動。這一發現意味著，哈爾岑說，這種“活動星係核”很可能是宇宙中穿行的大多數高能中微子和宇宙射線的來源。“我們或許正處在尋找宇宙射線源的最後關頭，這個天文學謎題已經困擾我們一個多世紀了，”他說。
一些小型望遠鏡已經開始進一步觀測來自LIGO、Virgo和冰立方的初探結果。不過它們的觀測能力比起大型巡天望遠鏡（LSST）來說遜色很多。LSST裝配有8.4米直徑主鏡，將於2022年正式開啟它的首個10年服役期。屆時，每隔幾天就能從智利山巔傳來整片可視星空的圖像，未來，想要看到那些被LIGO和Virgo聽到，或是冰立方嚐到的天文事件，LSST的千裏眼不可或缺。“但要是每晚都有10個事件要觀測，那可會讓我們不堪重負的！”LSST的首席科學家托尼 · 泰森（Tony Tyson）說。泰森進一步解釋說，根據引力波或者中微子信號確定電磁波源，需要耗費數小時進行望遠鏡觀測和原始數據篩查。
不過大多數天文學家都相信多信使天文學麵臨的機遇比挑戰更多。“能在天文學中開辟出這樣的新領域，真是太難得了，”哈佛大學專攻多信使天文學的天體物理學家阿維 · 洛布（Avi Loeb）說，“大自然對我們已經很偏愛了。”
撰文：李·比林斯（Lee Billings）
翻譯：李想
文章來源：環球科學


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