首次觀測到中子星融合所放出的重力波

■LIGO 與 VIRGO 在2017年8月17日,首次觀察到由中子星融合所放出的重力波 GW170817。

撰文|陳勁豪

目前為止,LIGO  與 VIRGO 所偵測到的所有重力波事件都是由兩個黑洞融合所產生的。當兩個質量都在數十個太陽質量的黑洞互相融合的時候,隨著兩個黑洞越來越靠近,相對旋轉的速度會越來越快,最後兩者二合為一,並在合併之後把相當於數個太陽質量的能量一口氣放以重力波的形式釋放出來。

但是由於兩個黑洞合併之後還是黑洞,因此黑洞融合的過程基本上除了重力波之外,沒有其它可以觀測的特徵,幾乎可以說是安安靜靜,相當低調的合併。

不過除了黑洞合併之外,宇宙中至少還有另一種可能的組合也會釋放出重力波,那就是中子星的合併。當兩個中子星相互碰撞的時候,基本上跟黑洞合併的狀況差不多,也是兩個中子星互相圍繞旋轉,然後越靠越近,最後兩個中子星碰在一起。但是與黑洞相碰撞不一樣的是,黑洞合併基本上沒有任何其他訊號,但是中子星碰撞時,除了重力波之外,還會放出相當大量的電磁波訊號。簡單的說,就相當於是一場宇宙中的超級煙火秀。

LIGO 與 VIRGO 在2017年8月17日所看到的重力波事件 GW170817 就是由中子星融合所產生的。中子星顧名思義,是由中子所形成,體積不大,但是密度卻很大。一般來說一個跟太陽一樣重的中子星,半徑大概只有十公里左右,可以想見其密度之大。事實上中子星的質量一般都在十個太陽以下。

兩個中子星融合的過程中,因為中子星的質量較小,所以相對於黑洞的融合,中子星的融合過程更久,會放出訊號較小,但是時間更長的重力波。這次的重力波事件,總長度幾乎維持了100秒。根據這麼長的觀測結果,物理學家推論出參與這次的重力波的兩個中子星質量大約是0.86與2.26個太陽質量,與一般估計的中子星大小差不多。

如果這真的是兩個中子星的融合,最後一定會放出大量的光。現在一共有三個重力波偵測站,且觀測時間長達一百秒,物理學家可以相當精確的定位出事件發生的方向,並通知全世界各個波段的望遠鏡一起朝指定的方向進行觀測。

根據初步的觀測結果,兩個 gamma 射線望遠鏡,分別是 Fermi 與 Integral,觀測到重力波後的1.7秒,朝重力波事件的方向觀測到了短超新星爆炸,幾乎可以認定是兩個中子星融合之後所放出的光,也是此次重力波事件為中子星融合的最強而有力的證據。隨後其他的天文望遠鏡也在同一區域看到了對應於中子星合併的特徵。而物理學家由重力波觀測與短超新星爆炸兩事件間隔的1.7秒,可估算重力波的傳遞速度。

這次 LIGO 與 VIRGO 所觀測到的中子星合併事件,可以說是人類史上第一次仔細觀察中子星合併情形,幾乎是實況轉播。而透過許多望遠鏡的同步觀察,將有助於對中子星的特性更深一層的了解。無論如何,重力波天文學正在逐步改變我們對宇宙的認識,現在只是剛開始而已。

原始論文:
GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017)
Published October 16, 2017

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  1. 2017/10/16 LIGO Science Collaboration: GW170817 - The first observation of gravitational-waves from a binary neutron star inspiral
  2. 2017/10/16 LIGO Press Release: LIGO and Virgo make first detection of gravitational waves produced by colliding neutron stars

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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