刷屏的中子星并合是什么?一次甩出重达300个地球的黄金

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-10-19 10:58:10 | 作者: | 来源:中国新闻网 | 浏览:812次 ]

北京时间10月16日22时,全球各大天文台一起刷屏。被“重磅预警”吊足了胃口的读者,发现并不是找到了外星人的存在,而是“双中子星并合产生的引力波,及其光学对应体”。中子星是什么?引力波是什么?光学对应体又是什么?最重要的是,这和日常生活有什么关系?

如果一定要说和我们的日常生活最紧密的联系——那就是,科学家们这次证实了,中子星并合,是宇宙中比铁还重的元素的起源,比如我们熟悉的金子。换句话说,中子星并合,是宇宙的大型炼金炉!

宇宙中的金子,从何而来?

长久以来,科学家们都无法确定宇宙中的金、铂、铀等重元素从何而来。

宇宙早期只有氢、氦等氢元素,一颗恒星的命运就从这里开始。在恒星随后的演化过程中,随着核聚变反应,质子数更高的重元素得以生成。然而,宇宙天然的核聚变,最重只能产生到包含26个质子的铁元素。这是因为,铁元素的核子结合能到达了一个顶峰,把其中的质子和中子拆开,需要极高的能量,恒心内部这个“炼金炉”,并不能满足。

科学家们一度认为,恒星寿命末期的超新星爆炸,足够提供这种能量。然而,这个假设逐渐被后续的发现击破。

宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。

在过去几年间,天文物理学家们开始形成主流认识:中子星并合是最有说服力的机制。

中子星的密度有多大?一茶匙重达10亿吨

当一个恒星走向寿命尽头,经由引力坍缩发生超新星爆炸,根据质量的不同,内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成,是目前已知的最小、致密的恒星。中子和质子一样,都是组成原子的粒子,但呈电中性,比质子略大。

中子星的半径普遍在10公里左右,质量却可超过两个太阳。一茶匙中子星物质就重达10亿吨。

1933年,人类发现了中子。次年,美国物理学家沃尔特·巴德(Walter Baade)和瑞士弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)提出了中子星的假设。

1967年,24岁的剑桥大学女研究生乔斯林·贝尔(Bell)从射电望远镜中发现了一些有规律的脉冲信号。这类新的天体后来被命名为脉冲星,其实,它们本质上是高速旋转的中子星,在旋转过程中周期性地发射出电磁波。

中国贵州“天眼”射电望远镜近日成功捕获到了脉冲星信号,标志着中国进入脉冲星观测俱乐部。

两颗中子星围绕共同的中心旋转,就构成了一个双中子星系统。它们在旋转过程中会不断释放引力波,导致系统的能量降低,轨道缩小,并最终撞在一起,发生并合。科学家们现在还不确定并合后的形态,很可能是一个黑洞。

并合:电光石火,金银迸溅

超铁元素就诞生在此时。双中子星并合过程中,不断甩出一些中子星碎块——大部分是中子,少数是质子。

在碰撞发生的一秒钟内,这些中子星碎块扩散到数十公里开外,形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中,中子和质子们互相俘获,形成大量富含中子的不稳定的同位素。中子会迅速衰变为质子,形成金等重元素。

据估计,中子星的一次碰撞,能够形成足有300个地球那么重的黄金。这些 “宇宙焰火”的余烬,被撒入广袤无垠的宇宙,其中一部分在46亿年前与地球凝为一体。它们又被开采锻铸,成为人类手中的金币,项上的首饰……

这次为中子星并合形成重元素提供重要佐证的,就是并合后的光点颜色由蓝变红,与理论模型预测相吻合。

“宇宙焰火”的余晖

这个越来越红的光点,就来自“光学对应体”:Li-Paczynski macronova(巨新星)。

该现象由1998年首次预言的中国天文学家、北京大学教授李立新及其已故的合作者Bodhan Paczynski命名。

2010年,普林斯顿大学的Metzger与合作者发现该现象的亮度能达到新星的1000倍左右,因而也被称为“千新星”。

除了可见光和红外线外,中子星并合时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马短暴,该信号在引力波到达地球2秒钟之后也被观测到。在其后数周内,这场大并合仍会继续发出其他频段的光,包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波等,是“宇宙焰火”漫长的余晖。

回到事件的开头。在这场“炼金”的“宇宙焰火”中,引力波扮演了怎样的角色呢?

原来,前面提到的可见光、红外线、紫外线、X射线、伽玛射线等,都是电磁波,是由光子承载的光学信号。长期以来,这几乎是科学家们用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

而引力波是由质量引发的时空扭曲,被人形象地比喻为“时空的涟漪”。当我们想象一件有质量的物体落入水面,就会产生一系列振动传播看来。我们的宇宙也如水面一般,整体平静,暗流汹涌,质量的扰动会触发引力波,散播开来。中子星并合事件,就能产生较为强烈的引力波。

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论,然而,因宇宙中传到地球的引力波过于微弱,爱因斯坦本人也想不到探测的方法。这个“时空的涟漪”,最终在2015年由LIGO团队实现。

LIGO过去4次探测到的引力波,均由黑洞触发。黑洞吸收光线,可谓“听到看不着”。这次,LIGO在识别出比黑洞质量小得多的天体——中子星触发的引力波信号后,全球70多架望远镜纷纷指向1.3亿光年外的NGC 4993星系,观看“焰火”。

从此,人类对浩瀚宇宙的感知方式,从单纯的“看”之外,又增添了一种,可相互印证。科学家们称之为,“多信使天文学”时代。

这或许比我们找到金子的起源更为重要。

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