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2017-10-18 人類首次偵測中子星合併產生重力波,有助解開宇宙黃金形成之謎!

 
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  中央大學天文所研究團隊在科技部計畫補助下,參與美國加州理工學院主導之「全球瞬變現象聯測網」(Global Relay of Observatories Watching Transients Happen, GROWTH),而GROWTH對LIGO所偵測到之重力波結果加以確認來源之研究成果,則為人類首次之發現!本次發現不但驗證了愛因斯坦廣義相對論,未來也有助於解開宇宙中黃金形成之謎。這項重要成果“Illuminating Gravitational Waves: A Concordant Picture of Photons from a Neutron Star Merger”刊載在最新一期的國際頂尖期刊《科學》(Science)上。
 
  「全球瞬變現象聯測網」( GROWTH)是由美國加州理工學院主導,全球共8個國家包含美國、日本、德國、英國、瑞典、以色列、印度及台灣共14個研究所(含18座天文台)組成的團隊。我國則以科技部計畫補助下之葉永烜院士2、饒兆聰教授3和俞伯傑博士2及鹿林天文台4所組成之團隊,藉由本部長期補助之探高計畫2(TANGO)及參與臺美雙邊PIRE國際合作計畫3機會加入GROWTH,以此投入國際天文合作研究。此次成果亦使鹿林天文台再次躍上國際聯測研究舞台。
 
  百年前愛因斯坦的廣義相對論早就預測了重力波存在,但是偵測極為困難,只有當極度緻密的天體,例如黑洞、中子星等天體合併才發出足夠的訊號。2017年諾貝爾物理獎頒發給萊納·魏斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorn)以及巴瑞·巴利許(Barry Barish),表彰他們設計建造重力波偵測器LIGO以及人類首次偵測到重力波的成就。LIGO團隊在2015年9月14號首次探測到由兩個黑洞合併所產生的重力波,之後陸續觀測到合計四次因黑洞合併所產生的重力波,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測。然而,由於前幾次重力波事件只有美國LIGO偵測器進行觀測,對於重力波源的定位能力有限,無法得知重力波源自哪一個星系。
 
  由於歐洲重力波Virgo偵測器的加入觀測,在本(2017)年8月17日LIGO首次偵測到由中子星合併所產生的重力波(編號GW170817)事件中,位於智利Las Campanas天文台因此標定重力波來源之可能星系(編號NGC4993),並發現一個可能的光學對應體。於是GROWTH團隊以其全球聯測網,在往後兩個星期利用全球各波段的望遠鏡,包含可見光,紅外,無線電,及X射線波段,對其做後續追蹤觀測,以觀測結果與中子星合併理論模型進行比較後,發現GW170817重力波與LIGO前幾次因黑洞合併造成的重力波事件不同,依此確認這是由兩個中子星碰撞合併所產生的重力波事件。
 
  由於現今的超新星爆炸理論無法解釋宇宙中重金屬的形成,因此重金屬(例如黃金)的形成過程還是個謎題。而新的理論認為在中子星合併的過程會產生「快中子捕獲過程(r-process)」形成比鐵更重的元素,而有助於解釋像黃金這類的重金屬形成。這次偵測到中子星合併所產生的重力波與後續的多波段觀測,將成為重力波天文學的先導,並有助於人類解開宇宙中的重金屬形成的謎題。

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附圖1我國天文團隊與研究成果: 探高計畫(TANGO)主持人中央大學葉永烜教授(右),台灣參與GROWTH 計畫主持人饒兆聰教授(後),俞伯傑博士(前)。

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附圖2 中子星合併發生的地點: 位於夏威夷的泛星計畫(Pan-STARRS)望遠鏡所拍攝的星系NGC4993可見光影像。白色圓圈為中子星合併發生的地點。
 

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附圖3 我國鹿林天文台與其一公尺望遠鏡: 參與全球聯測計畫,追蹤重要的天體瞬變現象,為東亞唯二參加的天文台之一。

註:
1.GROWTH團隊:  http://growth.caltech.edu/index.html
GROWTH團隊是由美國加州理工學院主導,利用全世界在不同時區的望遠鏡對發生瞬變現象的天體做接力觀測,以便得到完整的光變曲線。
 
2.探高計畫(TANGO,Taiwan New Generation Optical Astronomy): 科技部補助之大型國際合作計畫(含鹿林山天文台),主要參加加州理工學院Palomar Transient Factory (簡稱PTF)計畫,利用在美國加州南部帕羅馬天文台的P48 (1.2m)廣角望遠鏡,P60 (1.5m)望遠鏡及P200 (5m)望遠鏡的組合進行巡天觀測。PTF的後續計畫為iPTF以及明年初將開始的ZTF(Zwicky Transient Facility) 巡天計畫。PTF/iPTF/ZTF計畫其中一個主要的科學目標是尋找重力波來源的光學對應體。另外,探高計畫其中的工作目標之一的近紅外相機已經完成購置,並暫時與夏威夷大學天文所以合作方式,安裝於該所的UH88(2.2m)望遠鏡上,進行測試以及科學研究工作。因UH88望遠鏡所處的位置觀察條件絕佳,將是台灣以後對重力波源在近紅外波段後續追蹤觀測的重要據點。
 
3.PIRE國際合作計畫:由NSF所主辦之國際合作計畫,目標是建立強大的科學研究和教育合作夥伴關係,有效的運作全球化的團隊,使來自不同國家和文化背景的合作夥伴共同合作,以促進更卓越的研究,同時也 創造及增進學生和年輕的研究人員參與實際性的國際研究經驗。PIRE計畫通過國際合作促進卓越科學與工程的發展,有利於培植多元化,全球性的科學和工程人員。
 
4.鹿林天文台網站: http://www.lulin.ncu.edu.tw/
 
附記:
相關記者會(全球)資訊與連結
Science 期刊: http://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aap9455
GROWTH網頁: http://growth.caltech.edu/news-gw170817.html
加州理工: http://www.caltech.edu/news/caltech-led-teams-strike-cosmic-gold-80074
 
歐美合作團隊主要記者會:
●歐洲南方天文台 (ESO): (台北時間10月16日下午10時) will hold a press conference on 16 October 2017 at 16:00 CEST, Headquarters in Garching, Germany
●美國NSF & LIGO/Virgo Team: (台北時間10月16日下午10時) Monday, 16 October, 10:00 a.m. U.S. EDT (Eastern Daylight Time), 華盛頓特區, 美國https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20171011
●美國加州理工學院GROWTH Team: (台北時間10月17日上午零時) 16 October 2017 at 9 a.m. U.S. PDT , Caltech campus, 加州, 美國 

本文轉載自科技部新聞稿 https://goo.gl/S6yQPC

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