第18章 双中子星碰撞
在继续我们的探索之前,且先让我们回到公元132年,那时正值中国的东汉时期,天文学家张衡发明了一件能够监测地震的精妙仪器——地动仪。据《后汉书》记载,如果帝国的边陲发生地震,地动仪就会发出警报。根据史书的描述,地动仪由铜制成,主体是一个直径为2米的铜罐,在罐身上沿着8个方位各安装1个龙头,每条龙的嘴里衔着一个小铜球,在龙头下方、正对龙嘴的位置,蹲着一只大张着嘴的铜蟾蜍。如果远方某地发生地震,地面的微弱颤动使地动仪内部的小棍子失去平衡并触发机关,打开地震发生地所在方位的那个龙头的嘴,龙嘴里的铜球就会“哐啷”一声,落入龙头下方蟾蜍的口中。
从地震到太空震
让我们重新回到近2000年后的现在,引力波探测器正在定期探测宇宙深处的太空震动。2017年8月,美国的两台LIGO装置与意大利比萨刚刚升级完的VIRGO引力波探测器[1] 联手进行观测,以极高的时间精度,测量微弱的引力波信号到达的时间,如此一来,科学家就能确定这个引力波来自何方了。这个方位信息十分重要,它能告诉我们,产生这个引力波的灾难性爆炸事件到底发生在哪里,然后科学家就可以据此寻找这个事件的可见迹象。8月17日,3个探测器都捕捉到一个确定无疑的信号,这个引力波信号被命名为GW170817,它与LIGO以前看到的4个信号都不相同。仅仅过了1.7秒,美国宇航局的费米伽马射线空间望远镜就在同一天区探测到一个短伽马射线暴。于是,全世界的望远镜全都集结起来,去搜寻它的余晖。不到12小时,科学家就追踪到了这个伽马射线暴的源头。
这是科学家第一次找到引力波光学对应体,也是天文学历史上被观测最多的事件之一。引力波信号和短伽马射线暴都来自星系NGC 4993里的同一颗千新星,这个星系距离我们1.38亿光年(见图18-1)。千新星是一种恒星爆炸事件,它的亮度介于新星和超新星爆发之间,因为它比新星明亮1000倍,故此得名千新星,但与超新星比起来,它的亮度只有后者的百分之一至千分之一。当两颗中子星发生碰撞、并合,就会引发这样壮观的恒星爆炸事件。
中子星碰撞
中子星算得上宇宙中最奇怪的一种天体了,它就像一个巨大的原子核——全部质量都被压缩进了一个小小的球里,致密程度直追原子核!
通常情况下,在一个直径为20~30千米的球里,竟装着相当于1.5倍太阳质量的物质。以宇宙标准来衡量,它们的个头非常小,密度却极高,仅一茶匙的中子星物质的质量就远不止10亿吨,把这一匙中子星物质放入茶杯里搅一搅,看你能不能搅得动!
科学家推测,产生引力波信号GW170817的那场中子星碰撞,与我们在第17章里提到的赫尔斯-泰勒双中子星系统的情形十分相似。两颗中子星一边彼此绕转,一边发出引力波,并因此损失了能量。在几百万年的时间里,它们越转越近,只不过它们发出的引力波信号太弱,我们探测不到,直到它们并合前100秒,我们才探测到它们发出的引力波(见图18-2)。
中子星主要是由中子构成的,但这些中子是以一种非常奇异的形式存在着,而且只有中子星的强大引力场才能让它们保持稳定。在中子星碰撞过程中,撞击产生的物质碎片非常不稳定,会立刻发生衰变,产生急剧的变化和剧烈的反应:中子发射出电子和中微子后,变成质子。中子所占比例较高的那些原子核,在发出伽马射线暴后,会很快衰变成更加稳定的较轻的原子核。这就是“费米”卫星看到的短伽马射线暴的由来。撞击引发的衰变,产生了我们看到的千新星的余晖(见图18-3)。
科学家认为,在产生引力波信号GW170817的那场事件中,两颗中子星在并合后,最终坍缩成了一个黑洞。
重金属的诞生
中子星的碰撞或许解开了千新星之谜,但像铂和金这样的重金属元素又是怎么形成的呢?
大质量恒星通过一系列核聚变反应产生能量,最终把星核里的氢全部转变成铁和镍。在那之后,核聚变反应无法再提供能量,星核便开始坍缩,导致超新星爆发。在爆炸中,星核的周围全是携带着高能量的质子和中子。科学家以前一直认为,更重的元素,直至铀和钚,都是在此过程中产生的。然而,最近的计算机数值模拟却告诉我们,在超新星爆发中,核合成所需的极端物理条件可能无法持续很久,用这种方法只能合成出在元素周期表中排在银前面的那些元素。于是,一个问题就这样摆在了我们的面前:那些非常重的元素又是怎么产生的?
1989年,戴维·艾克勒(David Eichler)、马里奥·利维奥(Mario Livio)、斯维·皮兰(Tsvi Piran)与戴维·施拉姆(David Schramms)共同提出,更重的元素可能是在中子星碰撞中形成的。当时,支持这种想法的人寥寥无几,因为中子星碰撞鲜少发生,如何能够产生那么多的金(见图18-4)、铀及其他元素呢。
星际淘金热
模拟中子星碰撞的计算机模型告诉我们,产生引力波信号GW170817的那次中子星碰撞,能以接近1/5光速的速度,飞快地抛出相当于2万倍地球质量的物质,让它们散落到星系各处。这些物质主要是一些重元素,其中金原子核占十万分之一,所以一次千新星爆发产生的金元素的总量可以达到地球质量的1/5。最近的观测显示,这个千新星计算机模型的预测是正确的。
不过,这样的事件有没有可能频繁地发生,以便产生出我们看到的那么多重元素呢?
网罟座II
重元素究竟是在非同寻常的超新星爆发中一点一点产生的,还是在极其罕见的中子星碰撞中大批量形成的?
新近发现的矮星系网罟座II,支持后一种解答。2015年,科学家在晦暗的网罟座[2] 发现了这个星系,它是银河系的卫星星系,离我们只有9.7万光年。大多数矮星系即使含有重元素,也只是有一点点而已,相比之下,网罟座II里的恒星和星际气体却含有大量的重元素。
超新星爆发可不是寻常可见的事件,就拿银河系来说吧,它大概每30年左右才会发生一次超新星爆发,但由于星际尘埃挡住了我们的视线,这些超新星里的绝大多数,我们都无缘目睹。即便是最暗弱的矮星系,每10万年也会发生至少一次超新星爆发,所以,如果超新星爆发真的是重元素的制造者,那么经过138亿年(宇宙目前的年龄)的积累,重元素的数量也会相当可观了。然而,中子星碰撞是比超新星爆发更加罕见的事件,大多数的矮星系从不会出现这样的事件,这或许可以解释,为什么它们几乎不含有重元素。由此看来,网罟座II不过是运气不错,碰巧发生了一次中子星碰撞,它的重元素全都是在那次事件中形成的。这虽然不是直接证据,但也是一个重要的旁证,从侧面说明了在很久以前,银河系里的绝大多数重元素也是这么产生的。
按照现代天体物理学的解释,图18-5列出了每一种元素的来源。
(大多数原子核都要经历一系列可能截然不同的过程,才能最终合成出来,图18-5只展示了核合成的最后一步。比如,宇宙射线轰击碳原子核,使它放出一个质子,变成硼原子核,而碳原子核自己却是在恒星内部或者超新星爆发中形成的。)
你手上戴的金戒指
除了氢原子外,构成你身体的每个原子都是在恒星的内部产生的,这个事实本来就够让人惊讶的了。而更令人难以置信的是,你手上戴的金戒指里的所有原子,竟然是在中子星碰撞中形成的。
至此,我们讲完了短伽马射线暴是怎么产生的,欲知长伽马射线暴从何而来,且听下章分解。
- 室女座干涉仪(Virgo interferometer),由多个欧洲国家合作建造的大型干涉仪,用于探测引力波。——译者注
- 南半球天空上的星座。
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