人類首次偵測到中子星合併所產生的重力波,有助於解開宇宙中黃金形成之謎!

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中央大學天文團隊與研究成果: 探高計畫 (TANGO) 主持人中央大學葉永烜教授 (右),台灣參與 GROWTH 計畫主持人饒兆聰教授 (後),俞伯傑博士 (前)。

本文來自科技部新聞稿:

中央大學天文所研究團隊在科技部計畫補助下,參與美國加州理工學院主導之ㄧ 「全球瞬變現象聯測網   (Global Relay of Observatories Watching Transients Happen, GROWTH)」,而 GROWTH 對  LIGO 所偵測到之重力波結果加以確認來源之研究成果,則為人類首次之發現!本次發現不但驗證了愛因斯坦廣義相對論,未來也有助於解開宇宙中黃金形成之謎。這項重要成果 “Illuminating Gravitational Waves: A Concordant Picture of Photons from a Neutron Star Merger”刊載在最新一期的國際頂尖期刊《科學》(Science)上。

「全球瞬變現象聯測網 (GROWTH)」是由美國加州理工學院主導,全球共 個國家包含美國、日本、德國、英國、瑞典、以色列、印度及台灣共  14 個研究所 (含  18 座天文台 )組成的團隊。我國則以科技部計畫補助下之葉永烜院士 、饒兆聰教授 和俞伯傑博士 及鹿林天文台 所組成之團隊,藉由本部長期補助之探高計畫 2 (TANGO)及參與臺美雙邊 PIRE國際合作計畫 機會加入 GROWTH,以此投入國際天文合作研究。此次成果亦使鹿林天文台再次躍上國際聯測研究舞台。

百年前愛因斯坦的廣義相對論早就預測了重力波存在,但是偵測極為困難,只有當極度緻密的天體,例如黑洞、中子星等天體合併才發出足夠的訊號。 2017年諾貝爾物理獎頒發給萊納 ·魏斯 (Rainer Weiss)、基普 ·索恩 (Kip Thorn)以及巴瑞 ·巴利許 (Barry Barish),表彰他們設計建造重力波偵測器 LIGO以及人類首次偵測到重力波的成就。 LIGO團隊在 2015 9 14號首次探測到由兩個黑洞合併所產生的重力波,之後陸續觀測到合計四次因黑洞合併所產生的重力波,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測。然而,由於前幾次重力波事件只有美國 LIGO偵測器進行觀測,對於重力波源的定位能力有限,無法得知重力波源自哪一個星系。

由於歐洲重力波  Virgo 偵測器的加入觀測,在本 (2017)年  月  17 日  LIGO 首次偵測到由中子星合併所產生的重力波 (編號 GW170817)事件中,位於智利  Las Campanas 天文台因此標定重力波來源之可能星系 (編號 NGC4993),並發現一個可能的光學對應體。於是 GROWTH 團隊以其全球聯測網,在往後兩個星期利用全球各波段的望遠鏡,包含可見光 ,紅外 ,無線電 , X射線波段,對其做後續追蹤觀測,以觀測結果與中子星合併理論模型進行比較後,發現  GW170817 重力波與  LIGO 前幾次因黑洞合併造成的重力波事件不同,依此確認這是由兩個中子星碰撞合併所產生的重力波事件。

由於現今的超新星爆炸理論無法解釋宇宙中重金屬的形成,因此重金屬 (例如黃金 )的形成過程還是個謎題。而新的理論認為在中子星合併的過程會產生「快中子捕獲過程 (r-process)」形成比鐵更重的元素,而有助於解釋像黃金這類的重金屬形成。這次偵測到中子星合併所產生的重力波與後續的多波段觀測,將成為重力波天文學的先導,並有助於人類解開宇宙中的重金屬形成的謎題。

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