中子星碰撞金铂满堂

刘安立

2017年10月中旬，科学家宣布探测到时—空组构中的涟漪——引力波，而这些引力波来自于一对死亡恒星——中子星的相互碰撞。这是科学家首次目睹两颗中子星的合并。这一发现或许有助于破解几十年来的一大奥秘：宇宙中的许多重元素是怎么产生的？

2017年10月中旬，科学家宣布探测到时—空组构中的涟漪——引力波，而这些引力波来自于一对死亡恒星——中子星的相互碰撞。这是科学家首次目睹两颗中子星的合并，这一发现或许有助于破解几十年来的一大奥秘：宇宙中的许多重元素是怎么产生的？现在，我们就来解读一下这项大发现及其对于我们了解宇宙来说为什么那么重要。

什么是引力波

早在1916年，大科学家爱因斯坦就在科学界首次预测了引力波的存在。根据爱因斯坦的广义相对论，引力波源自质量对时—空组构的扭曲。当一个有质量的物体移动时，它会产生以光速穿行的引力波，沿途会拉伸和挤压时-空。

由于引力波很弱，所以探测引力波的难度很大，甚至就连爱因斯坦也不确定引力波是否真的存在。在爱因斯坦预测引力波存在之后100年，科学家运用“激光干涉仪引力波天文台”（简称LIGO），在2016年首次探测到引力波存在的证据。这项工作在2017年10月让3位科学家获得了该年度的诺贝尔物理学奖。

LIGO怎样工作

LIGO使用美国的两部探测器（其中之一位于美国路易斯安那州的利文斯顿，另一部位于美国华盛顿州的汉福德），感知引力波穿过物质时造成的翘曲。其中每部探测器的形状都像是英文大写字母L，并且每部探测器的高度和长度分别都一样。这样一来，激光柱穿越探测器的时间也相同。然而，如果引力波穿越地球，它们就会让探测器的支柱拉伸或压缩一个光子直径的万分之一长度，而这些时—空扭曲（翘曲）会让每部探测器都探测到一种瞬时发生的时间差异——激光柱下穿一部探测器的支柱和下穿另一部探测器的支柱所花时间的差异。

因为LIGO的两部探测器相距大约3000千米，所以引力波要花10毫秒才能从一部探测器穿行到另一部探测器。科学家运用这一到达时间差，来测量引力波来自何方。随着更多的引力波探测器（例如位于意大利比萨附近的Virgo）连线，科学家能更好地确定引力波的来源。

LIGO最容易探测到的是最强的引力波，它们是在超大质量物体相撞时释放的。LIGO及其他探测器此前探测到的所有引力波，都来自于黑洞的合并。现在，科学家运用LIGO和Virgo，首次探测到源自中子星合并的引力波。

中子星是什么

像黑洞一样，中子星也是恒星在灾难性爆发（被称为超新星）中死亡所留下的残余。当一顆恒星经历超新星阶段时，恒星物质崩塌，形成一个致密的核。如果这个核的质量足够大，就会形成黑洞。黑洞的引力非常大，就算是光也逃不出黑洞。但如果核质量没那么大，就会形成一颗中子星。中子星的得名，是因为它的引力大得足以把质子和电子压在一起，形成中子。

虽然中子星的个头通常都小，直径只有大约19千米，但它们的密度极大，以至于一颗中子星的质量就可能相当于太阳的质量。一茶匙的中子星材料，竟然重达大约10亿吨，这让中子星成为宇宙中除了黑洞之外最致密的天体。

大发现：引力波来自中子星

2017年8月17日，升级版的LIGO和Virgo探测到一个拥有超高能量的引力波信号。美国加州理工学院女科学家加斯里沃说，这个信号的超高能量相当于银河系亮度能量的10亿倍。加斯里沃也是“全球瞬变观测天文台”项目的首席科学家，这一国际合作项目致力于观测像中子星合并这样的宇宙瞬变事件。加斯里沃解释说，这个引力波信号在其出现时间里（大约60秒钟）的能量，足以超越银河系中的1000亿颗恒星。正是这次信号出现事件，让科学家首次目睹了两颗中子星的合并。该信号来自于如此合并的主要线索之一，是信号的持续时间长度。事实上，这是迄今为止探测到的持续时间最长的引力波信号。

黑洞比中子星更致密，所以来自于黑洞合并的信号相对短暂。加斯里沃介绍说，此前探测到的黑洞合并信号只持续一两秒钟，而最近这次信号事件持续了近一分钟。该信号来自于中子星碰撞的另一个主要线索是：产生这些引力波的天体的质量。引力波的频率取决于产生引力波的天体质量——频率越高，天体质量越低。产生新引力波信号的两个天体质量分别是太阳质量的1.3倍和1.5倍，这是中子星的典型质量。与之相比，LIGO首次探测到的黑洞合并所涉及的每个黑洞的质量，都是太阳质量的大约30倍。

虽然此次新信号的能量很高，但它依然远远低于黑洞合并所产生的引力波信号能量水平。这次中子星合并，把相当于大约2.5%的太阳质量的物质转化成了能量。可别小看这个2.5%，它代表着巨大的能量。然而，LIGO首次探测到的黑洞合并，竟然把相当于3倍太阳质量的物质转化成了能量，这一能量超过迄今为止所见的任何东西的能量。

迄今为止，LIGO已经探测到4次黑洞合并和1次中子星合并。一些科学家预测，中子星合并可能比黑洞合并更常见。但也有一些科学家认为，情况或许正好相反。加斯里沃解释说，虽然中子星合并在任何体积内都更常见，但是黑洞合并的能量更强大，因而很远处的黑洞合并都能被探测到，而距离较远的中子星合并却不见得能被探测到。endprint

中子星碰撞之光

最终，升级版LIGO和升级版Virgo把这次新事件的源头定位到天空中一个28平方度的区域——GW170817。与之相比，从地球上看到的满月只占天空中大约0.2平方度的区域。

科学家们迅速行动，采用常规望远镜和引力波望远镜观测这一事件：首次探测来自一个引力波源头的光线。与此对比，黑洞合并不会产生任何光线，这意味着常规望远镜观测不到黑洞合并。在几周时间里，科学家运用一系列望远镜，分析来自这次中子星合并的射电波、红外波、可见光、紫外光、X射线和伽马射线暴。位于智利的一部大型望远镜，成功将GW170817定位到位于长蛇座、距离地球大约1.3亿光年的星系NGC4993。这是科学家首次把引力波事件与一个已知星系联系起来。科学家把这一事件的源头简称为SSS17a。

加斯里沃解释说，运用LIGO和Virgo，他们发现这场合并的地点只可能是49个星系。通过区分优先顺序，他们根据星系质量大小来寻找这次中子星合并所在地。具体而言，科学家估算每个星系中的恒星數量，由此估计星系中发生中子星合并的概率。最终，科学家发现这个中子星合并的源头就是他们搜索名单上的第三个。

中子星合并留下宝藏

SSS17a迅速变暗，光的颜色从偏蓝转为偏黑——这一信号表明，中子星合并的残骸以接近光速迅速膨胀，然后在行进过程中降温。科学家说，这次中子星合并产生了“千倍新星”，也就是说，这次合并、爆发的强度是一次典型恒星爆发（即新星）的1000倍都不止。加斯里沃等人估计，这次中子星合并喷射的物质量相当于大约1万个地球质量。

科学家估计，这场合并产生的物质射流以接近光速向外喷射，移动路径与从地球上看去的视线偏离大约30°。科学家探测到的所有光线，都来自于环绕射流的一个茧状物质团。科学家预计，未来大约30%的中子星合并会产生地球上可探测到的明亮伽马射线。

这次合并喷射的物质发出光线，其光谱显示这些物质中包含新合成的元素。这一新发现证实了科学家70年来的预测：中子星的合并足以合成诸如金、铂和铅之类的重元素。科学家长期以来一直清楚，较轻的元素是合成来的，其中大多数氢和氦来自于宇宙大爆炸（宇宙发端时期），元素周期表上一直到铁的元素大多是在恒星核中锻造出来的。然而，比铁重的元素中有一半的来源都不清楚。加斯里沃说，这次新发现提供的首批确凿证据证明，中子星合并是宇宙中比铁重的半数元素的起源地。

这次对引力波和中子星合并的观测，不仅证实了理论预测，而且让科学家估算了合并后产生的物质数量及化学组成。科学家推测，这次合并产生的重元素质量大约是太阳质量的6%，其中仅仅是金元素总质量就达地球质量的200倍，铂元素的这个数值则为500倍。

迄今为止仍不清楚这场中子星合并的产物有哪些。这两颗中子星的合并质量为太阳质量的大约2.7倍，这个质量介于中子星和黑洞之间。加斯里沃说，迄今为止发现的最大中子星质量约为太阳质量的2倍，迄今为止发现的黑洞最小质量是太阳质量的5倍。因此，这场中子星合并的结果要么是迄今为止所见的最大质量中子星，要么是迄今为止所见的最小质量的黑洞，或者说，一颗超大质量的中子星将坍缩成一个黑洞。究竟会发生那种情况？仍需拭目以待。加斯里沃说，这是宇宙学中需要探索的一个新领域。endprint