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宇宙中的金子,從何而來?

 

來源:澎湃新聞 2017年10月18日  子夜星網站整理編輯


  北京時間10月16日22時,全球各大天文臺一起刷屏。被“重磅預警”吊足了胃口的讀者,發現并不是找到了外星人的存在,而是“雙中子星并合產生的引力波,及其光學對應體”。中子星是什么?引力波是什么?光學對應體又是什么?最重要的是,這和日常生活有什么關系?
  如果一定要說和我們的日常生活最緊密的聯系──那就是,科學家們這次證實了,中子星并合,是宇宙中比鐵還重的元素的起源,比如我們熟悉的金子。換句話說,中子星并合,是宇宙的大型煉金爐!

   
  宇宙中的金子,從何而來?

  長久以來,科學家們都無法確定宇宙中的金、鉑、鈾等重元素從何而來。

  宇宙早期只有氫、氦等氫元素,一顆恒星的命運就從這里開始。在恒星隨后的演化過程中,隨著核聚變反應,質子數更高的重元素得以生成。然而,宇宙天然的核聚變,最重只能產生到包含26個質子的鐵元素。這是因為,鐵元素的核子結合能到達了一個頂峰,把其中的質子和中子拆開,需要極高的能量,恒心內部這個“煉金爐”,并不能滿足。

  科學家們一度認為,恒星壽命末期的超新星爆炸,足夠提供這種能量。然而,這個假設逐漸被后續的發現擊破。

  宇宙需要一個更大、更熱的煉金爐。

  在過去幾年間,天文物理學家們開始形成主流認識:中子星并合是最有說服力的機制。

  中子星的密度有多大?一茶匙重達10億噸

  當一個恒星走向壽命盡頭,經由引力坍縮發生超新星爆炸,根據質量的不同,內核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。中子星幾乎完全由中子構成,是目前已知的最小、致密的恒星。中子和質子一樣,都是組成原子的粒子,但呈電中性,比質子略大。

  中子星的半徑普遍在10公里左右,質量卻可超過兩個太陽。一茶匙中子星物質就重達10億噸。

  1933年,人類發現了中子。次年,美國物理學家沃爾特·巴德(Walter Baade)和瑞士弗里茨·茲威基(Fritz Zwicky)提出了中子星的假設。

  1967年,24歲的劍橋大學女研究生喬斯林·貝爾(Bell)從射電望遠鏡中發現了一些有規律的脈沖信號。這類新的天體后來被命名為脈沖星,其實,它們本質上是高速旋轉的中子星,在旋轉過程中周期性地發射出電磁波。

  中國貴州“天眼”射電望遠鏡近日成功捕獲到了脈沖星信號,標志著中國進入脈沖星觀測俱樂部。

  兩顆中子星圍繞共同的中心旋轉,就構成了一個雙中子星系統。它們在旋轉過程中會不斷釋放引力波,導致系統的能量降低,軌道縮小,并最終撞在一起,發生并合。科學家們現在還不確定并合后的形態,很可能是一個黑洞。

  并合:電光石火,金銀迸濺

  超鐵元素就誕生在此時。雙中子星并合過程中,不斷甩出一些中子星碎塊──大部分是中子,少數是質子。

  在碰撞發生的一秒鐘內,這些中子星碎塊擴散到數十公里開外,形成一團與太陽密度相當的云。在這個“煉金爐”中,中子和質子們互相俘獲,形成大量富含中子的不穩定的同位素。中子會迅速衰變為質子,形成金等重元素。

  據估計,中子星的一次碰撞,能夠形成足有300個地球那么重的黃金。這些“宇宙焰火”的余燼,被撒入廣袤無垠的宇宙,其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開采鍛鑄,成為人類手中的金幣,項上的首飾……

  這次為中子星并合形成重元素提供重要佐證的,就是并合后的光點顏色由藍變紅,與理論模型預測相吻合。

  “宇宙焰火”的余暉

  這個越來越紅的光點,就來自“光學對應體”:Li-Paczynski macronova(巨新星)。

  該現象由1998年首次預言的中國天文學家、北京大學教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。

  2010年,普林斯頓大學的Metzger與合作者發現該現象的亮度能達到新星的1000倍左右,因而也被稱為“千新星”。

  除了可見光和紅外線外,中子星并合時形成的吸積盤會在旋轉軸處形成伽馬短暴,該信號在引力波到達地球2秒鐘之后也被觀測到。在其后數周內,這場大并合仍會繼續發出其他頻段的光,包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波等,是“宇宙焰火”漫長的余暉。

  回到事件的開頭。在這場“煉金”的“宇宙焰火”中,引力波扮演了怎樣的角色呢?

  原來,前面提到的可見光、紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等,都是電磁波,是由光子承載的光學信號。長期以來,這幾乎是科學家們用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

  而引力波是由質量引發的時空扭曲,被人形象地比喻為“時空的漣漪”。當我們想象一件有質量的物體落入水面,就會產生一系列振動傳播看來。我們的宇宙也如水面一般,整體平靜,暗流洶涌,質量的擾動會觸發引力波,散播開來。中子星并合事件,就能產生較為強烈的引力波。

  引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論,然而,因宇宙中傳到地球的引力波過于微弱,愛因斯坦本人也想不到探測的方法。這個“時空的漣漪”,最終在2015年由LIGO團隊實現。

  LIGO過去4次觀測到的引力波,均由黑洞觸發。黑洞吸收光線,可謂“聽到看不著”。這次,LIGO在識別出比黑洞質量小得多的天體──中子星觸發的引力波信號后,全球70多架望遠鏡紛紛指向1.3億光年外的NGC 4993星系,觀看“焰火”。

  從此,人類對浩瀚宇宙的感知方式,從單純的“看”之外,又增添了一種,可相互印證。科學家們稱之為,“多信使天文學”時代。

  這或許比我們找到金子的起源更為重要。

 
 
 

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