科學(xué)發(fā)現(xiàn)：“品嘗”到極端天文事件


圖片來源：Pixabay
天文學(xué)家利用智利拉坎帕納斯天文臺的Swope望遠鏡，對發(fā)生于2017年8月17日的這次中子星并合進行了定位。
費米伽馬射線太空望遠鏡瞥見了來自宇宙某處兩顆中子星（大質(zhì)量恒星坍塌死亡時形成的極致密星體）并合而迸發(fā)的伽馬射線。不過，伽馬射線并不是這個并合過程唯一的產(chǎn)物，就在這之后的幾秒鐘里，并合產(chǎn)生的時空漣漪已經(jīng)在另兩個天文臺間——美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和意大利Virgo天文臺——蕩漾開來，就像那閃電過后的滾滾雷鳴。


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這些漣漪便是引力波，而對它們的探測更像是“耳聞”而非“目睹”。根據(jù)引力波到達的時間和強度，天文學(xué)家在距地球1.3億光年外找到了并合發(fā)生的準(zhǔn)確位置。隨后，全世界數(shù)千名科學(xué)家開始從伽馬射線到可見光，再到無線電波的整個電磁波段上共同研究這場并合所遺留的余波。
付出終有回報。觀測顯示，并合過程產(chǎn)生了大量比鐵更重的元素，這證實了中子星碰撞是宇宙中金等重金屬元素的主要來源。將來，結(jié)合更多類似碰撞的觀測數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，我們或許能一探中子星的內(nèi)部機制。這些城市般大小的恒星遺體是如此的致密，它們距坍塌成黑洞也不過一步之遙。此外，通過比較并合所發(fā)出輻射的亮度和引力波的強度，天文學(xué)家可以測算出它的具體位置。這些信息將有助于探索暗能量的性質(zhì)，這種神秘的力量被認為是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。
首次觀測到中子星的并合可謂收獲頗豐，但稍有遺憾的是，位于南極的冰立方中微子天文臺（Ice-Cube observatory）未能找到此次碰撞所噴發(fā)的中微子。冰立方天文臺的首席科學(xué)家弗朗西斯·哈爾岑（Francis Halzen）解釋說，原因很可能是這些鬼魅般的粒子是成束噴發(fā)的，而地球剛好錯過了它們。如果把對射線和引力波的探測分別比作“看”和“聽”中子星碰撞的話，找到中微子就像“品嘗”一樣了。


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研究人員將這種聯(lián)合研究方法稱為“多信使”（multimessenger）天文學(xué)，電磁輻射、引力波或者亞原子粒子都可以充當(dāng)天文學(xué)的信使。1987年天文學(xué)家首次提出了這一構(gòu)想，當(dāng)時觀測到了銀河系一個小衛(wèi)星星系中的超新星爆發(fā)，天文學(xué)家既看到了爆發(fā)產(chǎn)生的光，還“嘗”到了爆發(fā)釋放的中微子。不過直到今天，科學(xué)家才可以開始豎起耳朵傾聽引力波，這得感謝LIGO和Virgo天文臺的建立。在很多方面，多信使方案都實現(xiàn)了天文學(xué)家的一個大膽夢想。盡管如此，他們還是需要面對來自不同觀測機構(gòu)的、洪水般的海量數(shù)據(jù)。
“我們需要認真考慮該如何應(yīng)對，因為很快我們每個月甚至每周都會觀測到類似這次碰撞的天文事件，”美國西北大學(xué)天文學(xué)家、LIGO研究小組重要成員薇姬·卡洛杰拉（Vicky Kalogera）說，“這次碰撞奪走了大家的生活。我們每個人都放下了手頭所有的事情，告訴自己的家人和孩子，只有等結(jié)果公布才能再見。”并合過程可能將被頻繁觀測到，卡洛杰拉說，其中的大部分都不會像這次一樣被毫分縷析地研究。
然而，冰立方中微子天文臺已經(jīng)發(fā)起了又一次全球多信使研究戰(zhàn)役，這次的對象是2017年9月22日觀測到的一個高能中微子源。目前的追蹤結(jié)果顯示，它來自于一團閃爍的塵埃盤，塵埃盤圍繞一個距我們十億光年之遙的星系中心的超大質(zhì)量黑洞運動。這一發(fā)現(xiàn)意味著，哈爾岑說，這種“活動星系核”很可能是宇宙中穿行的大多數(shù)高能中微子和宇宙射線的來源?！拔覀兓蛟S正處在尋找宇宙射線源的最后關(guān)頭，這個天文學(xué)謎題已經(jīng)困擾我們一個多世紀(jì)了，”他說。
一些小型望遠鏡已經(jīng)開始進一步觀測來自LIGO、Virgo和冰立方的初探結(jié)果。不過它們的觀測能力比起大型巡天望遠鏡（LSST）來說遜色很多。LSST裝配有8.4米直徑主鏡，將于2022年正式開啟它的首個10年服役期。屆時，每隔幾天就能從智利山巔傳來整片可視星空的圖像，未來，想要看到那些被LIGO和Virgo聽到，或是冰立方嘗到的天文事件，LSST的千里眼不可或缺。“但要是每晚都有10個事件要觀測，那可會讓我們不堪重負的！”LSST的首席科學(xué)家托尼 · 泰森（Tony Tyson）說。泰森進一步解釋說，根據(jù)引力波或者中微子信號確定電磁波源，需要耗費數(shù)小時進行望遠鏡觀測和原始數(shù)據(jù)篩查。
不過大多數(shù)天文學(xué)家都相信多信使天文學(xué)面臨的機遇比挑戰(zhàn)更多?！澳茉谔煳膶W(xué)中開辟出這樣的新領(lǐng)域，真是太難得了，”哈佛大學(xué)專攻多信使天文學(xué)的天體物理學(xué)家阿維 · 洛布（Avi Loeb）說，“大自然對我們已經(jīng)很偏愛了?！?br> 撰文：李·比林斯（Lee Billings）
翻譯：李想
文章來源：環(huán)球科學(xué)


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