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2017-10-16 宇宙中的黃金從這來──首度觀察中子星合併發出重力波!

 
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   天文學家首度觀察到重力波的光學對應體,這項劃時代的觀測是由兩顆中子星合併所造成,並發出了短伽瑪射線暴(gamma-ray burst)!先前天文學家就一直預測會有這樣的事件發生,並將之稱為「千倍新星」(kilonova),這會使金、鉑這類的重金屬散布到宇宙中。相關研究發布在《自然》(Nature)等多本科學期刊。

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Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

  這是天文學家首度觀測到來自同一事件的重力波和光(電磁輻射),在2017年8月17日美國的雷射干涉儀重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)與義大利的Virgo干涉儀,同時偵測到第五度的重力波事件GW170817,在兩秒鐘之後,美國航太總署的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)和歐洲太空總署的INTEGRAL(INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory)伽瑪射線觀測衛星,也觀測到來自同一天區的短伽瑪射線暴。

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Credit: LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer/Axel Mellinger

  LIGO–Virgo的觀測顯示,重力波源位在南天,但範圍大約有數百個滿月那麼大,在這麼大的天區裡可是有好幾百萬顆恆星。當時正是智利的夜晚,因此有好幾個位在智利的大望遠鏡都同時轉向此一天區,搜尋是否有新的天體出現。包含了歐南天文台(ESO)的可見光及紅外線天文巡天望遠鏡(Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy,簡稱VISTA)、帕瑞納天文臺(Paranal Observatory)的甚大望遠鏡巡天望遠鏡(VLT Survey Telescope,簡稱VST)、義大利位在ESO拉西拉天文台(La Silla Observatory)的快眼裝置望遠鏡(Rapid Eye Mount,簡稱REM),以及美國位於托洛洛山泛美天文臺(Cerro Tololo Inter-American Observatory,簡稱CTIO)的暗能量相機(Dark Energy Camera,簡稱DECam)。其中Swope一米望遠鏡率先宣布在長蛇座的透鏡狀星系NGC 4993附近找到新的光源,VISTA也幾乎在同一時間在此區域偵測到紅外線光源。隨著夜幕逐漸往西邊降臨,夏威夷的泛星望遠鏡(Pan-STARRS,臺灣有參與此一望遠鏡計畫)和昴望遠鏡(Subaru Telescope)也觀測到此一光源迅速變化的情形。

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Credit: ESO

  歐南天文臺馬上發起了「機會目標」(target of opportunity)的觀測計畫,在接下來的數星期時間內,全世界有約70個天文台──包括歐南天文台的超大望遠鏡(Very Large Telescope,簡稱VLT)、新科技望遠鏡(New Technology Telescope)、甚大望遠鏡巡天望遠鏡、MPG/ESO的2.2米望遠鏡、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,簡稱ALMA,臺灣有參與此一望遠鏡計畫)、美國航太總署/歐洲太空總署的哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)──都以各個波段對這個天體進行觀測。

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Credit: LIGO-Virgo

  從重力波和其他的觀測資料顯示,GW170817和NGC 4993與我們的距離相同,約為1億3000萬光年,這是目前所觀測到離我們最近的重力波,也是最近的伽瑪射線暴之一。

  重力波是大質量物體移動所產生的時空漣漪,但只有非常大質量天體的速度快速變化才有辦法偵測到。中子星是大質量恆星在超新星爆發後,塌縮核心所產生的緻密天體。而中子星合併是目前短伽瑪射線暴成因的最佳解釋,這樣的事件會產生比傳統新星亮度還要亮1000倍以上的「千倍新星」爆發。

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Credit: University of Warwick/Mark Garlick

  超過30年前,天文學家就預測了中子星合併產生千倍新星的可能性。但一直要到這次同時偵測到來自GW17081的重力波和伽瑪射線,才首度證實千倍新星確實存在。

  在兩顆中子星合併之後,快速爆炸膨脹的放射性重元素,讓千倍新星以五分之一光速的高速移動。在接下來的幾天中,這顆千倍新星的顏色從極藍變為極紅,如此快速的顏色變化是先前所觀察到的恆星爆發從未有的現象。

Credit: ESO/E. Pian/S. Smartt & ePESSTO/N. Tanvir/VIN-ROUGE

  「當我在電腦螢幕上看到這個天體的光譜時,我就知道這是先前未曾見過的瞬變天體,」負責領導延伸公眾光譜瞬變天體巡天計畫(extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects,簡稱ePESSTO)中歐南天文臺新科技望遠鏡觀測的史蒂芬.史馬特(Stephen Smartt)表示,「我從來沒有看過這樣的東西,我們和其他科學家團隊的資料顯示,這不是顆超新星,也不是前景中的變星,而是一顆非常特別的天體。」

  ePESSTO和甚大望遠鏡(Very Large Telescope)的X-射手(X-shooter)儀器所得到的光譜顯示,這個合併的中子星拋出了銫和碲。中子星合併後所產生的千倍新星爆發,將合併時所產生的銫、碲和其他重元素拋向太空。這表示比鐵還要更重的元素,是在高密度天體的一種稱為「r-過程核合成」(r-process nucleosynthesis)的核反應中所產生的,這項過程過去只存在於理論之中。

  這次的觀測和理論非常符合,可以說是理論物理學家的大勝利,此外天文學家也收集到了大量千倍新星觀測資料,這項新發現開啟了天文學的另一個新時代!

資料來源:https://www.eso.org/public/news/eso1733/, 編譯:胡佳伶

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