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2017-12-11 尋找重力波的電磁波對應體:千級新星與重元素起源

 
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作者:陳婷琬博士(德國洪堡獎金,馬克斯普朗克地球外物理研究所博士後研究員)

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來自中子星合併的重力波通報

2017年8月17日13點8分17秒(UT時間)

  時為德國時間下午三點多,我坐在慕尼黑的辦公室裡看到電腦螢幕上跳出:“叮叮!您有新的郵件:GCN/LVC_INITIAL_SKYMAP”,偵測到新的重力波事件!該源於17日12:41:04 UT被美國的雷射干涉儀重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)偵測到,原始代號為:G298048,之後經過謹慎地檢驗證實,才給與正式編號:GW170817。我揉一揉眼睛仔細看了這則通報:“PROB_NS:1.00”,由中子星造成的機率100%!有沒有看錯啊?先前重力波的通報都是黑洞相撞所以PROB_NS都是0。這次是來真的了嗎?中子星對撞!

  沒想到更刺激的通報出現:GW170817與美國航太總署的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)偵測到微弱的短伽瑪射線爆(short gamma-ray burst:GRB 170817A)很可能有高度相關!伽瑪射線爆根據爆發時間可以分為長於兩秒鐘的長伽瑪射線爆(long gamma-ray burst),是巨質量恆星塌縮成黑洞時產生的噴流,在鄰近事件中常觀測到伴隨著超新星對應體;以及短於兩秒鐘的短伽瑪射線爆,據信是由中子星跟中子星或是中子星跟黑洞相撞時所產生的,但至今沒有非常可靠的直接證據。GW170817與GRB 170817A的爆發時間差1.7秒,兩個源在天空中的位置有重疊!可惜不管是重力波源的可能天區33.6平方度(結合LIGO與Virgo的偵測)或是重疊費米後的11.6平方度(圖一),對一般望遠鏡的視野來講還是太廣闊了(例如鹿林一米望遠鏡的視野為16角分)。

2017年8月18日1點5分23秒(UT時間)

  雖然我隔天要飛美國看日全食,但還是整晚不敢睡,密切注意著郵件訊息。每兩三個小時就爬起來查看:偵測到微中子(事後證實沒有相關);位於可能天區中,在體積範圍(約50 Mpc,附註1)內所有的星系目錄;尋找X射線源…等。直到凌晨三點,GCN CIRCULAR #21529:Potential optical counterpart discovered by Swope telescope,找到可能的可見光對應體!目標:SSS17a,座標:13:09:48.089,-23:22:53.35,亮度17星等!

附註1:秒差距(parsec,縮寫pc)為天文學常用距離單位,1秒差距約為3.26光年,常用於銀河系內的短距離表述,銀河系的直徑約為3萬秒差距,而銀河系附近星系的距離習慣上用百萬秒差距(Mpc)描述。

  我所領導的尋找重力波光學對應體的計畫,使用德國馬克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)位於歐南天文台(ESO)在智利La Silla的2.2公尺望遠鏡的伽瑪射線爆可見光紅外偵測器(Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector,簡稱GROND)來進行光度觀測,該儀器同時可曝光七個波段,從可見光(griz四個波段)到近紅外光(JHK三個波段),一次獲得七張影像。可惜當我看到這則通報時,目標已經從La Silla 落下。只能期待隔天再觀察。我先設定好GROND的觀測程式,交由博士班學弟Phil幫忙參加由ePESSTO計畫(附註2)主持人Stephen Smartt的電話會議討論,然後我就去搭飛機了。

附註2:ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects),是公眾光譜瞬變天體巡天計畫的延伸(原計畫始於2012年)。我們一年有九十個觀測夜,使用位於La Silla天文台的3.58公尺的新科技望遠鏡(New Technology Telescope, 簡稱NTT),對新發現的瞬變天體進行光譜分類,在觀測一天內就完成資料分析釋出與發布通報。目前已經分類了1179個新天體,並對其中290個目標進行後續觀測與研究。

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(圖一) 多訊息(multi-messenger)觀測重疊下的重力波源位置。包含來自重力波GW170817的可能天區(淡綠色為LIGO 、深綠色為結合LIGO與Virgo的偵測範圍),伽瑪射線爆 GRB 170817A的可能天區(深藍色為費米衛星伽瑪射線爆監視器(Gammaray Burst Monitor ,簡稱GBM) 偵測範圍、淡藍色則是根據費米衛星與歐洲太空總署的INTEGRAL(INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory)伽瑪射線觀測衛星接收到伽瑪射線爆的時間差),以及可見光學對應體SSS17a的位置(Swope一米望遠鏡在爆發後10.9小時率先發現,對照DLT40望遠鏡在重力波GW170817發生的前20.5天所拍攝的星系影像並無該天體存在)。(圖片來源:B. P. Abbott et al. 2017 ApJ, 848L, 12,我也是該篇論文3674位共同作者之一。)

 

全球觀測大作戰

2017年8月18日23點14分49秒(UT時間)

  經過八小時的飛行,班機剛抵達芝加哥,我便趕緊連上Wi-Fi,76封未讀郵件!全部跟重力波有關!全世界所有我可以唸得出名字的望遠鏡,只要可以看到該天區的全部都投入了觀測!從太空望遠鏡(HST、Swift…)到地面所有小型大型望遠鏡(DECam、DLT40、LCOGT、Pan-STARRS、SkyMapper、Gemini、Subaru…);從各種波段,伽瑪射線(INTEGRAL…)到無線電波(VLA、ATCA…);看光度的看光譜的,一些巡天望遠鏡回報爆發前影像極限星等的參考(ASAS-SN、ATLAS)。還有對宿主星系NGC 4993的星系特質描述,其為橢圓星系,距離我們40Mpc,恰符合GW170817的偵測距離。真的很興奮看到全世界的天文學家們,用盡可能的資源,將所有望遠鏡都指向同一個天體進行觀測。全人類一同為了一個共同的目標而打拼,真的讓人感動。

  我們自然不能缺席。

  當天擬定的作戰計畫是,GROND進行可見光與近紅外光的影像觀測,由我跟Phil學弟在遠端負責跟GROND的支援天文學家Angela聯絡。而ePESSTO的觀測者Joe及Dave用NTT拍攝較藍的U波段並觀測光譜。同時回報結果給在北愛爾蘭熬夜遠端坐鎮的Stephen。

  目標SSS17a在智利La Silla 天文台可以開始觀測的時間是23UT左右(德國時間半夜一點),而我在芝加哥,是當地晚上六點。當天早早吃了晚餐就先回旅館遠端遙控GROND。天氣不錯,我們也準時開工觀測(圖二)。但是,即時處理影像的程式卻沒有運作成功(莫非定律),於是我趕緊將前兩筆觀測資料,從天文台傳回所上主機處理,才得到SSS17a的初步亮度。進一步減去銀河系消光,並假設其為黑體輻射,發現擬合的結果不錯,大約5300度。跟Stephen線上討論了一下,他也剛收到NTT觀測的光譜,得到擬合的黑體溫度約6000度。對這種擬合來講,兩個結果足夠接近,意味著兩邊的觀測跟資料處理都沒有明顯瑕疵。由ePESSTO發出SSS17a光譜通報(GCN CIRCULAR #21582),光譜看起來是偏藍沒有明顯特徵的連續譜,沒有超新星光譜中常見的氫(Balmer lines)、鈣(Ca II H&K)、或是矽(Si II)等譜線。我跟Phil則通報GROND的光度觀測結果(GCN CIRCULAR #21584),也就是把我們得到的訊息跟其他科學家分享:我們證實在可見光部分,尤其是g波段光度下降得很快,但是紅外光部分則是緩慢變暗。

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(圖二) 我使用馬普所/歐南天文台2.2米望遠鏡的GROND儀器,觀測到的千級新星AT2017gfo 與宿主星系NGC4993的假色合成影像。(圖片來源:ESO/S.J. Smartt & T.-W. Chen)

  往後幾天都延續一樣的模式,我每天都跟GROND的支援天文學家聯絡,擬定觀測計畫以及發布觀測通報。因為該天體越來越早落下, 所以我們在跟該天體可觀測的時間賽跑。

  我們發現(見圖三),在可見光部分,SSS17a變暗得非常快,在g波段五天內掉了快四個星等(約為原亮度的40分之一!) 。接下來兩天La Silla天氣不好沒有觀測,之後我們在可見光波段已無法偵測到它。隨著溫度下降,SSS17a變得越來越紅。八月二十八日則是GROND最後在K波段偵測到它。我們一直觀測到九月四日,直到該天體在天空上的位置太靠近太陽而無法觀測為止。

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(圖三) 我使用GROND儀器所紀錄到的千級新星亮度變化。橫軸零點為重力波爆發時間,以天計數;縱軸為視星等,數字越小越明亮。可見光(griz)變暗得很快,代表溫度下降,變得越來越紅,在近紅外(JHK)波段亮度維持較久。(圖片改編自:Smartt, Chen et al. 2017 Nature, 551, 75。由Erkki Kankare博士減去宿主星系背景後,得到來自千級新星本身的光度變化曲線。)


藍色的千級新星

  在被觀測到以前,千級新星的存在就已經被理論所預估。千級新星(kilonova)的名稱來自於Metzger等人2010年的論文,依據其光度大約為一千倍新星(nova)的光度而命名。也有Kulkarni等人於2005年的論文稱其為巨級新星(macronova),根據其光度快可以亮到跟超新星(supernova)一樣(總之就是亮度比新星亮、接近但應該不比超新星亮)。千級新星是一種”現象”,其物理機制據信是中子星與中子星或是中子星與黑洞碰撞、合併後的噴射物所發出的熱輻射(Li & Paczynski, 1998)。 超新星現象的光度是由爆發時產生的放射性鎳元素衰變所支持,而千級新星的光度則是由“快作用元素”衰變所支撐。在週期表上比鐵、鍶重的元素(質量數大於90),像是金跟銀、鑭系元素等(位於圖四週期表的第五到第七行)主要是由中子捕獲的機制生成。中子捕獲分為快中子捕獲(快作用)跟慢中子捕獲(慢作用),而使輕的元素轉變為重的元素, 而中子星與中子星或是中子星與黑洞合併,則提供了高中子密度與高溫等產生快作用所需的物理環境,是宇宙中重元素相當重要的來源(Lattimer & Schramm 1974; Eichler 1989)。

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(圖四)元素週期表與其可能的來源。其中橘色色塊所標示的元素,可能來自於中子星合併。(圖片來源:http://blog.sdss.org/2017/01/09/origin-of-the-elements-in-the-solar-system/


  我們收集到史上第一筆的千級新星觀測資料,當然要好好研究其物理意義。這顆千級新星SSS17a正式的國際天文聯合會編號為AT2017gfo(AT意指天文瞬變天體astronomical transients),下文將使用這個正式名稱。並聚焦在我們團隊的研究成果,發表在自然(nature)期刊第551期第75頁(2017年)。

  第一步,先跟理論預測的模型做比較。我們將各波段所觀測到的星等,仔細減去背景星系的亮度,以及修正本銀河系的灰塵消光後,得到各波段的絕對星等。發現AT2017gfo的亮度變化情況符合Metzger在2017年所預測的理論模型,在早期藍色波段的光度比較亮。此模型獨特之處在於,一樣是快作用元素衰變,但是是由輕的快作用元素(原子量介於90到140之間的元素,例如原子序47的銀)所主導,不透明度(opacity)比較低,噴射速度較快,可在一天內抵達光度極大期,因此我們看到藍色的千級新星。反之如果噴射物是由重的快作用元素(原子量介於大於140的元素,例如原子序79的金、57到71的鑭系元素等)所組成,不透明度比較高,顏色較紅,為紅色的千級新星。

  因為我們有多波段的觀測,得以建構全波(bolometric)光度變化曲線,再來擬合不同的物理參數(圖五)。根據從爆發一天到兩週的全波光變曲線顯示,在我們第一筆資料點時(0.6天)就達到光度極大期(10^42.05 erg/s),而整個曲線可以用藍色的千級新星來解釋。我們發現光度變化的趨勢符合快作用元素的衰變模型,最佳的擬合參數為:不透明度低(0.1 cm^2/g),以0.2倍光速的速度噴射出約0.04倍太陽質量左右的物質。證實了長久以來的猜測:中子星合併,是宇宙中製造重元素重要的場所。

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(圖五)模型擬合觀測。橫軸為爆發後的天數,縱軸為光度。紅色點為AT2017gfo的全波光度變化曲線,藍色的線是我們擬合出來的最佳解,綠色的線則加以考慮高能光子的逃逸(有些能量經由伽瑪射線輻射損失)。兩者都符合快作用元素的衰變模型。(圖片來源:Smartt, Chen et al. 2017 Nature, 551, 75。)

 
“看見”快作用元素

  前文提到的計畫合作者Stephen也是8公尺超級大望遠鏡(Very Large Telescope, VLT)X射手( Xshooter)光譜儀觀測重力波光學對應體的計畫主持人之一,所以我們還取得了從近紫外光、可見光、到近紅外光的光譜。光譜演變的速度很快,從圖六中可以看到從爆發後1.4天的藍色、沒有太多特徵的光譜,經過短短一天後,峰值移往紅端,並出現明顯的吸收譜線,非常特殊。
Stephen說:”我從來沒有見過這樣的光譜!”我們運用原子譜線的資料庫建立了模型,與觀察到的溫度、譜線速度等進行擬合,推測光譜中的吸收線可能為原子序55的銫(Cs)與52的碲(Te)。 但是,對於這些快作用元素,我們的了解還太少,因此原子光譜的資料並不是那麼完整。所以從這些光譜中我們到底看到了什麼元素,還有待更進一步的確認。

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(圖六)千級新星AT2017gfo的光譜。上圖為NTT在爆發後1.4天所拍攝到的(黑線),藍線為模型假設的連續譜,紅線為擬合出來的結果,跟銫(Cs)與 碲(Te)的譜線位置相符。下圖則為Xshooter在爆發後2.4天所拍攝,可見跟銫與碲的吸收特徵更明顯了。(圖片來源:Smartt, Chen et al. 2017 Nature, 551, 75.)

開啟了新的視窗

  人類自古以來對天體的觀察都來自於光線,其中又以可見光為主。到近代才利用全電磁波段進行觀測。而重力波的發現,開啟了全新的、不同於光的,認識與觀察宇宙的大門。在電影2001太空漫遊中,跟猿人已知使用工具一樣,是文明史上一大進展!可謂是現代天文的羅賽塔石。

  我想我們是幸運的,偵測到中子星合併的事件比我們預期的早。在天時(天氣好)地利(南半球天區)人和(支援天文學家熟稔儀器運作)之中,完成了觀測任務。但我想也並不全然是運氣好,我們找尋重力波的光學對應體已經兩年了,從一開始很多人不看好,認為我們什麼都不會找到。到現在,變成人人搶著做的熱門課題。如果這個小小的故事有給我一點啟發,就是,機會是留給堅持住的人與準備好的人。我何其幸運生逢其時,又可躬逢其盛!僅以此篇文章記錄下這難得的經驗,並且感謝這一路上一直支持我的家人,師長與朋友們。

(該篇自然期刊論文第二作者。)

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(圖七)該篇自然期刊論文的前三作者,左起為Anders Jerkstrand博士、Stephen Smartt教授與筆者,在歐南天文台記者會當天合影。

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