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中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

发布时间:2017-10-16 23:00:09 来源:果壳网 责任编辑:笙火

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银河系某处有个鲜为人知的旋臂,旋臂尽头有个人迹罕见的区域,那里的某个角落有个不起眼的黄色恒星,离这个恒星大约一亿五千万公里的轨道上有个更不起眼的蓝绿色的小行星,上面有一群无毛两足猿类,它们中的很多成员花了很大的功夫操心一个十分俗气的问题:

金子是从哪儿来的?

以及,怎样才能搞到更多的金子?

印加人相信金子是从天上掉下来的,是太阳神印蒂的眼泪或者汗水。亚里士多德认为金子是硬化的水,当阳光穿透地表深入地下时就会发生这样的转变。牛顿抄录过一个用哲人石创造金子的配方;而当然了,侏儒妖龙佩尔施迪尔钦能从稻草里把黄金织出来。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

图片来自:霍比特人

20世纪的大部分时间里,天体物理学家认为自己已经找到了这个问题的答案:金子,正如所有的重元素一样,是在超新星爆发中诞生的;在这个高温高压的熔炉里,较轻的元素被强制聚变,才有了金这个质子数高达79的怪物。

但是随着超新星计算机模型越来越好,大家发现一个问题——超新星产生金这个级别的重元素的能力,似乎并不比历史上的炼金术士更好。宇宙中似乎应该有另外一个更加刺激的天体现象负责产生这些最重的元素。

过去几年里,越来越多的天文学家盯上了“双中子星并合”这样一个现象。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

两颗中子星的并合会产生剧烈的爆炸,这样的事件会把重元素抛洒到太空中。图片来源:ESO/L. Cal?ada/M. Kornmesser

根据计算,当两个中子星撞在一起的时候,应该既足以产生金,又能把金抛洒出去让其中微乎其微的一小部分最终流落到地球上。不过有一个问题:我们长期以来一直没有真的观测到过两颗中子星撞在一起。没有直接观测结果,那就只是纸上谈兵,无从验证我们的模型到底有多正确。

当然你看到这里应该猜到了:就在今天,全世界多个机构的天文学家联合宣布在NGC 4993星系观测到了一例双中子星并合现象。

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艺术家想象的双中子星合并时发生的猛烈爆炸。扭曲的时空网象征着爆炸发出的引力波,上下两道光柱代表的是在发出引力波仅几秒钟后会喷射出的伽马射线。图片来源:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

2017年8月17日,12:41:04 (协调世界时),在近地轨道默默飞驰着的费米-伽马射线太空望远镜向地面自动发送了一条简讯,内容是它刚刚探测到了一次来自宇宙深处的伽马射线暴发。

大约6分钟后, 位于美国加利福尼亚州汉福德市的 LIGO 引力波探测器传来消息,在刚刚探测到的伽马暴发生前1.7秒,探测到一次引力波暴发事件。

13:21:42,加入全球联网系统(Gamma-ray Burst Coordinates Network, GCN)的世界各地的望远镜控制中心同时收到一则通知,内容是发现一例高度疑似双中子星并合事件,并通报了初步判定的方位坐标。

同一时间,已经通过协议加入了LIGO多信使全球观测合作的慧眼团队,也收到了疑似观测到双中子星合并的通报,把在轨运行仅2个月,还处在紧张测试阶段的慧眼卫星,对准了信号来源的方向……

全世界的天文学家都沸腾了,全世界的望远镜都在同一时间指向了同一个方向:那席卷1.3亿光年的时空狂澜的源头。

我们观测到了1.3亿光年之外,一例双中子星合并事件。第一次,人类不仅“听”到了引力波的“声音”,还“看”到了引力波的起源。

中子星是什么玩意儿?

中子星,是恒星被自己引力压垮之后面临的可能命运之一。它是我们宇宙内密度最大的东西,可以粗略理解成一个山一样大的原子核。一颗典型的中子星直径只有大约20千米,但却有两个太阳那么重。因为它的巨大重力,它上面任何高于几毫米的“山丘”都会垮掉,所以它也是最圆的天然物体之一。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

科学家想象中的中子星内部结构。图片来源:Wikipedia | 翻译:易舒序

它重到什么程度呢?假设你用中子星密度的东西做一颗子弹在地球上发射(不能真的用中子星做,因为一旦脱离母星,就没有那么多引力来束缚它,这些中子星物质就会膨胀开来并把你轰成渣渣),这颗子弹会掉下去击穿整个岩石圈,向四面八方掀起巨大的地震,留下破碎的撞击坑;然后高速气化它路过的所有岩浆,化为一颗地下流星(毕竟以它的密度而言,岩浆什么的和空气没啥区别),最后永远停留在地球中心。

嗯让你失望了,还不能摧毁地球,但是人家毕竟只是一颗子弹啊。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

换个角度说:如果你把这颗子弹放在一个底座上让它不沉下去,那么当你靠近到几米之内的时候,它对你的引力就会超过地球引力,让你觉得自己是在一个斜坡上往下滑。靠近到一米的时候,除非你全身绑好安全带,否则它会以让你胳膊脱臼的力量把你拽过去。而如果你的手指碰到了它,那么它的引力足以让你指尖的血液冲破皮肤喷涌而出。

黑洞爱好者可能会抗议说黑洞才是最重的。但是黑洞其实是作弊——它已经掉出了我们的时空,我们看到的一坨黑只是它从异世界深渊投下的影子。这带来了一个大问题,用霍金的话说就是“黑洞没有毛”:不算外挂的话,所有的黑洞都是光秃秃的一个黑球球,区别无非是质量、电荷和旋转速度而已。两个黑洞本体并合只不过产生一个新黑洞,放出来的也只有引力波。观测这些现象确实能对理论做一些贡献,但总的而言,它本身没有太多事情可以做。

中子星可就不一样了。它是正经在我们宇宙里面,正经能被我们看见,正经能对人类世界产生本质影响的。比如,它们能向太空中扔金子。

千新星:

货币的起源是相撞

宇宙诞生后不久有了质子和中子,然后它们差不多自发地变成了氢、氦和锂,但也就到此为止。恒星的诞生令这头三个元素可以进一步聚变并放出能量,但是这个聚变到了铁就又不得不停止。铁是最稳定的元素,继续变大反而会变得不稳定,不但不能放出能量,还需要在极端环境下投入巨大能量才能做出更重的东西,譬如我们都想要的银、铂和金。

要怎么做呢?一个很简单的办法是往里面拼命地扔中子。中子多了之后有些会衰变成质子,这样就得到了新的元素。但要点是一定得快,比衰变速度更快,才能得到金子这个级别的最重元素;不然就只能得到比铁稍微重一些的东西,比如铅。

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当天文学家发现,就连超新星爆发都到不了这么快的时候,别提有多失望了。

但是超新星爆发经常会留下一个中子星。而中子星除了外表的固态壳层和最里面的内核之外,剩下的部分几乎都是中子,所以如果能让这些取之不尽的中子喷射出来撞到铁之类的原子的话,那么别说金子要多少有多少,更重的元素——比如核裂变中至关重要的铀和钚——也都能轻易做出来。

只有一个问题。这些中子之所以一开始在那里,就是因为中子星巨大引力的束缚,它们才不会自动跑掉。如果是黑洞的话,那这一步就是死路了,没有任何常规物质能逃离黑洞。所幸中子星没有那么绝,还可以依靠外界暴力手段:比如中子星撞黑洞,或者干脆两颗中子星撞在一起。

根据模型估算,这样的一次相撞,应该能产生300个地球那么重的黄金;地球上的大部分贵金属应该都是很久以前这样的过程带来的。研究者预测这种相撞还会产生巨量放射性元素,它们的衰变将在短时间内发出大量的光,亮度应该能达到新星的1000倍左右,因此这个相撞现象又被称为“千新星”。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

艺术家对于双中子星并合产生“千新星”现象的想象图。图片来源:University of Warwick/Mark Garlick

睁开所有的眼睛

当然,今天再去千新星找金子就太晚了。千新星扔碎块的速度大概是光速的0.1-0.3倍,意味着这次观测到的千新星扔出的金子就算有几块对准了地球,飞过来也需要大概5亿年。

但是千新星还有一个厉害得多的特点:它除了自己的明亮可见光和红外线,还应该伴随着其他强烈的天文信号,比如二次射电辐射,短伽玛暴,伽玛暴余晖,还有——引力波。

这一次,我们已经观测到了千新星、短伽马暴和引力波三条。

中子星相撞会产生金?这回终于眼见为实 然后呢?

本次引力波事件的方位。图中左侧显示的是费米、LIGO和VIRGO共同确定的引力波信号来自的天空(天球)方向范围。在这个范围里,发现一个星系中发生了巨新星爆发的现象。右侧是光学望远镜拍摄到的爆发前与爆发后的星系照片。可以看到爆发后(上图)多了一颗星体。


这些来自各个角度的数据本身能大大加深我们对中子星内部结构的了解,还能更进一步帮助我们认识四大基本作用力中最强的一种——强相互作用的本质。更广泛地说,以如此多的方式去观察一个天文现象,是“多信使天文学”的一个重要里程碑:它意味着我们观望天庭的诸多眼睛有了联合起来的绝佳锚点。

过去几千年里,人类甚至都不知道引力波的存在。2015年,我们第一次看到了引力波,但那时观测到的只是黑洞并合,它们没有放出任何别的信号,也无法准确判定并合的地点。而这一次,双中子星并合既释放出了引力波,又释放出了电磁波段的诸多信号。等到高能宇宙线和中微子的天文台都能够加入观测队伍之中时,我们将终于可以说,人类看到了它的完整面貌。

此刻,我们刚刚开始。

郭浩 本文来源:果壳网 责任编辑:郭浩_NT5629

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