科學家於週一宣佈，他們首次探測到來自兩顆中子星碰撞的時空漣漪，標誌著天文學和物理學新時代的開始。這些波於 8 月 17 日從印度洋上空的天空中傳來，在美國雷射干涉引力波天文臺（LIGO）的雙探測站以及位於義大利的歐洲探測器 Virgo 中被記錄下來。這是科學家在過去兩年中第五次證實觀測到此類波，這種現象是愛因斯坦在一個多世紀前首次預測的——並因此為 LIGO 的三位領導者贏得了今年的諾貝爾物理學獎。
然而，之前探測到的所有引力波都來自合併的黑洞對。這些天體的密度如此之大，以至於光線都無法逃脫它們的引力，這使得此類合併對於普通望遠鏡來說基本上是不可見的，儘管它們在極其劇烈的死亡螺旋的最後時刻產生了巨大的引力波。如果沒有更大的引力波天文臺網路，天文學家就無法精確定位合併黑洞的精確位置，更不用說深入研究它們了。
但是，與黑洞相比，中子星合併始於可以算是輕量級的天體。中子星是已消亡的大質量恆星的高度壓縮核心，是在超新星爆炸後形成的。它的引力場足夠強大，可以將相當於整個太陽的物質擠壓並分解成一個城市大小的中子球，使其與其說是一顆真正的“恆星”，不如說是一個像曼哈頓一樣大的原子核。但是，中子星的引力仍然太弱，無法捕獲光線。因此，兩顆中子星猛烈撞擊在一起產生的閃光可以逃逸到宇宙中，不僅產生引力波，還會為任何有興趣觀看的人產生宇宙中最絢麗的煙火表演之一。
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在這種情況下，在引力波最初的啁啾聲預示合併開始之後，“煙火”包括持續兩秒鐘的伽馬射線暴 (GRB)，隨後是持續數週的多波長餘輝——“任何人”都被證明是幾乎所有地球上得知該事件的天文學家和物理學家。費米伽馬射線太空望遠鏡的專案科學家朱莉·麥克恩利表示，費米望遠鏡發現了 GRB，稱 8 月 17 日是“費米九年任務中最激動人心的早晨”。
與 LIGO 和 Virgo 物理學家合作的天文學家已被要求保密。但是，世界各地的大量後續觀測不可避免地引發了關於追蹤碰撞及其後果的全球行動的公開傳言，現在這些傳言已得到證實。由此產生的新觀測和理論熱潮是“多信使”天文學迄今為止最強有力的例證，在這個新興領域中，從天體物理災難中發射出的光、引力波和亞原子粒子被收集並統一研究。
在一系列壓倒性的巨量論文中，研究人員同時在多家期刊上發表文章，將最新事件與廣泛的現象聯絡起來，併為從基本核物理學到宇宙的大規模演化等一切事物提供了新的見解。除其他外，這次合併讓觀測者得以親眼目睹黑洞的誕生，碰撞的中子星很可能產生了黑洞。然而，最閃耀的發現是確鑿的證據，表明中子星合併——而不是普通的超新星——是鍛造宇宙重元素的宇宙坩堝：包括鈾、鉑和金在內的物質。
因此，看起來核反應堆中的放射性堆、您汽車中的催化轉化器，以及是的，您結婚戒指中的貴金屬，都可能來自宇宙中最小、最密集和最奇異的恆星的粉碎內臟——或者至少是任何可以逃脫而不會落入合併產生的黑洞中的部分。這一結果可能解決關於重元素宇宙起源的持續爭論，這場爭論已經困擾理論家半個多世紀了。宇宙中大部分的氫和氦是在大爆炸後的最初時刻產生的，而大部分較輕的元素——氧、碳、氮等等——是由恆星中的核聚變形成的。但是，最重元素的起源直到現在仍然是一個懸而未決的問題。
“我們已經找到了富礦！”佐治亞理工學院的天體物理學家和 LIGO 的副發言人勞拉·卡多納蒂說。“這真的是我們首次對單個天體物理事件進行多信使探測，其中引力波告訴我們災難發生之前發生了什麼，而電磁輻射告訴我們之後發生了什麼。”卡多納蒂表示，儘管目前尚無定論，但對該事件引力波的分析最終可能會揭示物質在合併時如何在 neutron stars 中“晃動”的細節，從而為研究人員提供一種研究這些奇異天體的新方法，並瞭解它們在坍縮成黑洞之前究竟能變得多大。卡多納蒂相關地指出，在引力波啁啾聲結束和 GRB 開始之間存在大約兩秒鐘的神秘間隔——也許在這段時間內，合併後的中子星的結構完整性短暫地抵抗了不可避免的坍縮。
對於許多研究人員來說，這一突破已經期待已久。“我的夢想成真了，”哥倫比亞大學的天體物理學家和 LIGO 團隊成員 Szabolcs Marka 說，他是 20 世紀 90 年代末多信使天文學的早期倡導者。他回憶說，那時他被視為“那個瘋子”，試圖為引力波的後續觀測做準備——這種現象在當時離直接探測還有幾十年。“現在，我和其他人感到欣慰，”Marka 說。“我們已經在非常多樣的信使中研究了這個碰撞的中子星系統。我們已經在引力波、伽馬射線、紫外線、可見光和紅外光以及 X 射線和無線電波中看到了它。……這就是天文學的革命——演變——我 20 年前首次希望看到的。”
美國國家科學基金會（NSF，為 LIGO 提供大部分資金的美國聯邦機構）主任弗朗斯·科爾多瓦稱讚該天文臺的最新成就是“科學史上的歷史性時刻”，如果沒有政府數十年來對各種天體物理天文臺的持續支援，這是不可能實現的。“從全球聽到的第一個短暫的啁啾聲到最新的、更長的啁啾聲，引力波的探測不僅驗證了 NSF 進行的高風險、高回報投資的型別，而且還激勵我們想要做得更多，”科爾多瓦說。“我希望 NSF 將繼續支援創新者和創新，這些創新將改變知識，並激勵後代。”
黃金機會
在最初探測到合併的引力波及其隨後的 GRB（後者立即被費米和 Integral 太空望遠鏡觀測到）之後，競賽開始了，目的是在天空中找到碰撞的來源——並有望找到其餘輝。在幾個小時內，多個團隊調集了可用的望遠鏡，凝視 LIGO 和 Virgo 的科學家計算出的來源必須存在的區域：一片跨越 31 平方度的天空，其中包含數百個星系。（卡多納蒂說，僅使用 LIGO，搜尋就像“在太平洋中尋找金戒指的微光”。她說，隨著來自 Virgo 的第三個資料點的加入，研究人員可以正確地三角定位來源的位置，將搜尋範圍縮小到更像是在“地中海某處尋找金戒指”。）
大部分觀測發生在智利的天文臺，太陽落山後，關鍵的天空區域升到地平線上，不同的團隊採用了各種搜尋策略。有些人只是用觀測“平鋪”該區域，從一側到另一側有條不紊地移動；另一些人則瞄準了理論上認為最有可能發生中子星合併的星系子集。簡而言之，目標策略勝出。
第一個真正看到光學餘輝的是加州大學聖克魯茲分校的博士後研究員查爾斯·基爾帕特里克。他坐在辦公桌前，整理聖克魯茲的天文學家瑞恩·福利的同事之一委託他整理的選定星系的影像，瑞恩·福利曾幫助組織了這項活動。在他檢查的第九張影像中，這是同事們在半個地球之外使用智利拉斯坎帕納斯天文臺的米級斯沃普望遠鏡匆忙拍攝和傳輸的，他看到了它：一個明亮的藍色點，嵌入在一個巨大的橢圓星系中，這是一個 100 億年前的古老紅色恆星群，距離地球約 1.2 億光年，除了目錄名稱外，沒有其他名稱。人們認為，由於這些星系的年齡較大、恆星密度較高且近期恆星形成相對較少，因此它們是中子星合併的主要宇宙家園。與同一星系早期影像的並排比較顯示沒有這樣的點；這是一個新的和最近出現的東西。“我非常緩慢地意識到這是一個多麼重要的時刻，”基爾帕特里克回憶道，“但我當時正處於隧道視野中，只是想盡可能快地工作。”
基爾帕特里克通知了包括卡內基天文臺天文學家喬什·西蒙在內的其他團隊成員，後者迅速使用智利更大的 6.5 米雙麥哲倫望遠鏡之一獲得了確認影像。藍色點也在那裡。在一個小時的過程中，西蒙透過一對五分鐘的曝光測量了該點的光譜——它發出的各種顏色的光。他認為，這些光譜可能對進一步研究有用——或者，如果沒有其他作用，它們可以用來確保這個光點不是普通的超新星或其他宇宙冒名頂替者。與此同時，其他團隊也發現了這個點，並忙於自己的後續行動。然而，福利團隊的快速確認和光譜證實了他們的來源。“我們有這張影像的第一張照片，我們也有這張影像中光源的第一個識別，”西蒙說。“因為我們如此早地獲得了這兩者，所以我們還能夠獲得這次合併的第一個光譜——這是智利當晚沒有其他人能夠做到的——然後我們向社群的其他成員釋出了第一個公告。”
早期的光譜觀測對於後續分析和解決幾個謎團至關重要。它們顯示，合併的殘餘物迅速冷卻，從天空中明亮的寶石藍色褪色為暗淡的紅寶石色。在接下來的幾周觀測中，隨著可見光點褪色，其餘輝在較冷、波長更長的紅外光中轉移和達到峰值，這些讀數得到了驗證。顏色、冷卻和膨脹的一般模式與哥倫比亞大學的布賴恩·梅茨格和加州大學伯克利分校的丹·卡森等一些理論家早些年各自獨立預測的結果非常接近。
簡而言之，梅茨格解釋說，天文學家從合併的餘波中看到的是一種叫做“千新星”的現象：一種由中子星噴射出的白熾、富含中子的物質的放射性衰變產生的強烈光度爆發。隨著物質膨脹和冷卻，其大部分中子被鐵和其他重元素的原子核捕獲，這些重元素是中子星形成超新星爆炸後遺留下來的灰燼，從而產生更重的元素。“在大約一秒鐘的時間裡，當噴射物捕獲這些中子並在太空中膨脹時，其中一次合併將形成元素週期表的下半部分——金、鉑、鈾等等，”梅茨格說。接近尾聲時，千新星的光線急劇轉移到紅外線，因為流經噴射物的級聯中子會鍛造出最重的元素，這些元素有效地吸收可見光。
反過來，測量千新星的光譜演化，使天文學家能夠估計它產生的不同元素的數量。哈佛-史密森天體物理學中心的 Edo Berger 研究千新星，並監督了對這次合併的許多最雄心勃勃的後續觀測，他表示，該事件產生了大約 16,000 個地球質量的重元素。“那是一切——黃金和鉑金和鈾，以及你在元素週期表上看到的只是一些字母，而你不知道它們名字的那些奇怪的元素，”他說。“至於分解情況？為此，我認為我們還沒有確切的答案。”
一些理論家認為，在這次合併中只產生了數十個地球質量的黃金。梅茨格自己估計，這次合併的黃金產量約為 100 個地球質量，鉑金的產量約為黃金的三倍，鈾的產量約為黃金的十分之一。無論如何，當與根據最新探測結果部分更新的這些合併必須發生的頻率的統計估計相結合時，“你得到每個星系每年足夠高的發生率，以建立形成我們自己太陽系的元素以及我們在其他恆星中看到的丰度，”梅茨格說。“我們看到的所有東西，你都可以透過這些合併來解釋。可能還有其他方法可以製造重元素，但你似乎不需要它們。”他說，平均而言，銀河系中可能每 10,000 年才發生一次中子星合併。
遙遠的邊疆
更重要的是，研究合併的千新星如何演化可以傳達關於碰撞如何展開的關鍵資訊。例如，這次合併的初始發射光比預期的更藍，這向梅茨格和其他人表明，千新星是從一個角度而不是正面觀察到的。在這種情況下，早期的藍色發射將來自一個球形殼層或赤道帶，其中包含相對貧中子的物質，這些物質以大約 10% 的光速從中子星中噴射出來。較晚的、較紅的發射將來自非常富含中子的物質，這些物質以兩到三倍更高的速度從中子星的兩極噴射出來，就像從管子裡擠出來的牙膏一樣，當它們碰撞時。
結合詳細的 X 射線和無線電觀測，這種情況有助於解釋與合併相關的伽馬射線暴的奇特性質——這是有史以來觀測到的最接近的 GRB，但也是最微弱的 GRB 之一。人們認為，短 GRB 是由碰撞的中子星在合併並坍縮成黑洞時，由內部翻騰的磁場旋轉和噴射出接近光速的雙極噴流的強烈輻射。如果正面觀察——從 GRB 槍管向下看，可以這麼說——它們會非常明亮。大多數天文學家在遙遠宇宙中觀測到的此類爆發都是這種情況。但是，如果它們從我們的角度傾斜或傾斜，它們將顯得相當暗淡，並且只有在它們相對較近（在數億光年內）的情況下才能被探測到。
然後，利用來自多信使天文學的豐富資料，天文學家最終可以確定整個可觀測宇宙中許多千新星的觀測角度，使每個千新星都成為測量大規模宇宙結構和演化的更有效的標記。這可能使科學家能夠更好地面對一個可能比重元素起源更深奧的謎團：宇宙不僅在膨脹，而且在一種被稱為暗能量的宇宙範圍內的反引力的影響下，正以不斷增加的速度加速，這一令人費解的事實。
宇宙學家希望透過精確測量暗能量對宇宙的影響來更好地理解暗能量，跟蹤宇宙中越來越遙遠區域的天體，以瞭解它們離我們有多遠，以及它們在暗能量加速流動中移動的速度有多快。但是，要做到這一點，他們需要可靠的“標準燭光”，即亮度已知的天體，可以用來校準這種廣闊、全面的時空視野。芝加哥大學的天體物理學家和 LIGO 合作者丹尼爾·霍爾茨已經證明了合併的中子星如何為這項工作做出貢獻。他的工作表明，最新合併的引力波強度及其千新星的發射可以用來計算區域性宇宙的膨脹率。僅限於一次合併，該技術產生的數值具有很大的不確定性，儘管仍與其他方法獲得的膨脹率相近。但是在未來幾年——隨著引力波天文臺和新一代地面和太空大型望遠鏡協同工作，每年識別出數百甚至數千次中子星碰撞——這些估計值將顯著提高。
“所有這些意味著 LIGO 和 Virgo 測量的來自這些合併的引力波與千新星建模相輔相成，後者表明它們的傾角，它們的觀測角度，是透過它們從藍色到紅色的光譜演化來確定的，”羅切斯特理工學院的天體物理學家和 LIGO 團隊成員理查德·奧肖內西說。“這是一個強大的協同作用。如果我們知道傾角，我們就可以知道距離，這有助於我們進行宇宙學研究。這裡所做的是我們未來將定期進行的樣機。”
“如果你考慮一下，宇宙有點像一個宇宙粒子對撞機，中子星是粒子，”奧肖內西說。“它把它們扔到一起，我們現在有機會看看會發生什麼。在未來幾年裡，我們將看到很多這樣的事件——有多少，我無法告訴你，但人們已經將其描述為‘雨’。這次事件是一塊羅塞塔石碑，為我們提供了真實的資料，可以將以前只存在於理論家的頭腦中或作為超級計算機模擬中的位元的天體物理學不同線索聯絡起來。它使我們能夠了解重元素的宇宙丰度。它使我們能夠探測極端密度下核物質的粘稠度。它使我們能夠測量宇宙的膨脹。這些協同作用為未來幾十年的所有高能天體物理學設定了議程，並且建立在數十年的投資之上。我們現在正在收穫回報，一座質量是地球質量 10 倍或 100 倍的金山，是宇宙剛剛給我們的。”