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        地球上的金子從哪來

        2017-12-14 06:32:11
        新傳奇 2017年43期
        關(guān)鍵詞:中子星焰火引力波

        地球上的金子從哪來

        據(jù)估計(jì),中子星的一次碰撞,能夠形成足有300個(gè)地球那么重的黃金。這些“宇宙焰火”的余燼,被撒入廣袤無垠的宇宙,其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開采鍛鑄,成為人類手中的金幣,項(xiàng)上的首飾……

        藝術(shù)家想象的雙中子星合并時(shí)發(fā)生的猛烈爆炸。扭曲的時(shí)空網(wǎng)象征著爆炸發(fā)出的引力波,上下兩道光柱代表的是在發(fā)出引力波僅幾秒鐘后會(huì)噴射出的伽馬射線

        北京時(shí)間10月16日22時(shí),全世界的望遠(yuǎn)鏡都在同一時(shí)間指向了同一個(gè)方向,全球各大天文臺(tái)一起刷屏。被“重磅預(yù)警”吊足了胃口的讀者,發(fā)現(xiàn)并不是找到了外星人的存在,而是“雙中子星并合產(chǎn)生的引力波,及其光學(xué)對(duì)應(yīng)體”。中子星是什么?引力波是什么?光學(xué)對(duì)應(yīng)體又是什么?最重要的是,這和日常生活有什么關(guān)系?

        如果一定要說和我們的日常生活最緊密的聯(lián)系——那就是,科學(xué)家們這次證實(shí)了,中子星并合,是宇宙中比鐵還重的元素的起源,比如我們熟悉的金子。換句話說,中子星并合,是宇宙的大型“煉金爐”!

        宇宙中的金子,從何而來

        長久以來,科學(xué)家們都無法確定宇宙中的金、鉑、鈾等重元素從何而來。

        宇宙早期只有氫、氦等氫元素,一顆恒星的命運(yùn)就從這里開始。在恒星隨后的演化過程中,隨著核聚變反應(yīng),質(zhì)子數(shù)更高的重元素得以生成。然而,宇宙天然的核聚變,最重只能產(chǎn)生到包含26個(gè)質(zhì)子的鐵元素。這是因?yàn)?,鐵元素的核子結(jié)合能到達(dá)了一個(gè)頂峰,把其中的質(zhì)子和中子拆開,需要極高的能量,恒心內(nèi)部這個(gè)“煉金爐”,并不能滿足。

        科學(xué)家們一度認(rèn)為,恒星壽命末期的超新星爆炸,足夠提供這種能量。然而,這個(gè)假設(shè)逐漸被后續(xù)的發(fā)現(xiàn)擊破。

        宇宙需要一個(gè)更大、更熱的煉金爐。在過去幾年間,天文物理學(xué)家們開始形成主流認(rèn)識(shí):中子星并合是最有說服力的機(jī)制。

        中子星的密度之大:一茶匙重達(dá)10億噸

        當(dāng)一個(gè)恒星走向壽命盡頭,經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸,根據(jù)質(zhì)量的不同,內(nèi)核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。中子星幾乎完全由中子構(gòu)成,是目前已知的最小、致密的恒星。中子和質(zhì)子一樣,都是組成原子的粒子,但呈電中性,比質(zhì)子略大。

        中子星的半徑普遍在10公里左右,質(zhì)量卻可超過兩個(gè)太陽。一茶匙中子星物質(zhì)就重達(dá)10億噸。

        1933年,人類發(fā)現(xiàn)了中子。次年,美國物理學(xué)家沃爾特·巴德和瑞士弗里茨·茲威基提出了中子星的假設(shè)。

        1967年,24歲的劍橋大學(xué)女研究生喬斯林·貝爾從射電望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)。這類新的天體后來被命名為脈沖星,其實(shí),它們本質(zhì)上是高速旋轉(zhuǎn)的中子星,在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地發(fā)射出電磁波。

        中國貴州“天眼”射電望遠(yuǎn)鏡近日成功捕獲到了脈沖星信號(hào),標(biāo)志著中國進(jìn)入脈沖星觀測俱樂部。

        兩顆中子星圍繞共同的中心旋轉(zhuǎn),就構(gòu)成了一個(gè)雙中子星系統(tǒng)。它們在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)不斷釋放引力波,導(dǎo)致系統(tǒng)的能量降低,軌道縮小,并最終撞在一起,發(fā)生并合。科學(xué)家們現(xiàn)在還不確定并合后的形態(tài),很可能是一個(gè)黑洞。

        并合:電光石火,金銀迸濺

        超鐵元素就誕生在此時(shí)。雙中子星并合過程中,不斷甩出一些中子星碎塊——大部分是中子,少數(shù)是質(zhì)子。

        在碰撞發(fā)生的一秒鐘內(nèi),這些中子星碎塊擴(kuò)散到數(shù)十公里開外,形成一團(tuán)與太陽密度相當(dāng)?shù)脑?。在這個(gè)“煉金爐”中,中子和質(zhì)子們互相俘獲,形成大量富含中子的不穩(wěn)定的同位素。中子會(huì)迅速衰變?yōu)橘|(zhì)子,形成金等重元素。

        據(jù)估計(jì),中子星的一次碰撞,能夠形成足有300個(gè)地球那么重的黃金。這些“宇宙焰火”的余燼,被撒入廣袤無垠的宇宙,其中一部分在46億年前與地球凝為一體。它們又被開采鍛鑄,成為人類手中的金幣,項(xiàng)上的首飾……

        這次為中子星并合形成重元素提供重要佐證的,就是并合后的光點(diǎn)顏色由藍(lán)變紅,與理論模型預(yù)測相吻合。

        “宇宙焰火”的余暉

        除了可見光和紅外線外,中子星并合時(shí)形成的吸積盤會(huì)在旋轉(zhuǎn)軸處形成伽馬短暴,該信號(hào)在引力波到達(dá)地球2秒鐘之后也被觀測到。

        在其后數(shù)周內(nèi),這場大并合仍會(huì)繼續(xù)發(fā)出其他頻段的光,包括X射線、紫外線、可見光、紅外線以及射電波等,是“宇宙焰火”漫長的余暉。

        回到事件的開頭。在這場“煉金”的“宇宙焰火”中,引力波扮演了怎樣的角色呢?

        原來,前面提到的可見光、紅外線、紫外線、X射線、伽瑪射線等,都是電磁波,是由光子承載的光學(xué)信號(hào)。長期以來,這幾乎是科學(xué)家們用于感知宇宙的唯一一扇窗口。

        而引力波是由質(zhì)量引發(fā)的時(shí)空扭曲,被人形象地比喻為“時(shí)空的漣漪”。當(dāng)我們想象一件有質(zhì)量的物體落入水面,就會(huì)產(chǎn)生一系列振動(dòng)傳播看來。我們的宇宙也如水面一般,整體平靜,暗流洶涌,質(zhì)量的擾動(dòng)會(huì)觸發(fā)引力波,散播開來。中子星并合事件,就能產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的引力波。

        引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論中的重要推論,然而,因宇宙中傳到地球的引力波過于微弱,愛因斯坦本人也想不到探測的方法。這個(gè)“時(shí)空的漣漪”,最終在2015年由激光干涉儀引力波天文臺(tái)LIGO團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)。

        LIGO過去4次探測到的引力波,均由黑洞觸發(fā)。黑洞吸收光線,可謂“聽到看不著”。這次,LIGO在識(shí)別出比黑洞質(zhì)量小得多的天體——中子星觸發(fā)的引力波信號(hào)后,全球70多架望遠(yuǎn)鏡紛紛指向1.3億光年外的NGC 4993星系,觀看“焰火”。

        從此,人類對(duì)浩瀚宇宙的感知方式,從單純的“看”之外,又增添了一種,可相互印證。科學(xué)家們稱之為“多信使天文學(xué)”時(shí)代。

        這或許比我們找到金子的起源更為重要。

        (澎湃新聞網(wǎng)2017.10.17)

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