宇宙信使揭密中子星合併
天文學家首度觀測到中子星合併的光和重力波，日後除了「看見」、「聽到」這類天文事件，還能加以「品嚐」。
撰文／畢林茲（Lee Billings）
2017年8月17日早晨，天際一道閃光照亮了天文學的新紀元，費米γ射線太空望遠鏡偵測到宇宙中兩顆中子星（大質量恆星死亡並塌縮成異常緻密的天體）合併時發出的γ射線。但就在費米望遠鏡偵測到該訊號數秒後，中子星匯聚之際勾動的時空漣漪猶如閃電後的隆隆雷聲，由地表兩座獨立觀測站偵測到──位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站（LIGO）和位於義大利的VIRGO觀測站。
這類時空漣漪即為重力波，而且較像「聽」到，不是「看」到。天文學家根據重力波通過偵測器的時間及強度，定位出訊號來自距離地球1億3000萬光年的星系。緊接著，各地數以千計科學家同心協力，在不同電磁頻段研究中子星合併後的餘暉，包括γ射線、可見光和微波。
這些工作成果豐碩，觀測數據顯示，中子星合併產生了大量比鐵原子重的元素，證實先前的理論：中子星合併是宇宙中金及其他貴重金屬的主要來源。當偵測到越來越多這類匯聚事件並整合不同頻段的資訊，有助科學家了解中子星（這類恆星殘骸和城市大小相當，但接近黑洞的臨界密度）的內部機制。除此之外，天文學家可比較中子星合併的亮度和發出的重力波強度，定出事件發生的確切距離，這有助於他們探索暗能量（造成宇宙加速膨脹的謎樣力量）的性質。
這次觀測中子星合併所獲得的資訊雖然令人印象深刻，但仍有缺憾。位於南極的冰塊（IceCube）觀測站首席科學家郝爾琛（Francis Halzen）說，他們並未捕捉到這次事件的任何一顆微中子，極可能是這種鬼魅粒子束的軌跡沒有行經地球（南極）。如果把偵測中子星合併的光和重力波比擬為看見和聽到，尋找微中子則像是「品嚐」。
研究人員稱這種合作方式為「多重信使」（multimessenger）天文學，信使是指電磁波、重力波或次原子粒子。這種研究方式始於1987年，天文學家從銀河系一個較小的衛星星系中「看見」並「嚐到」超新星爆炸發出的光與微中子。但直到LIGO和VIRGO開始運作，科學家才有了同時監聽重力波的耳朵。多重信使從許多面向看來，簡直是天文學家最瘋狂的夢想成真；但另一方面，進行這種研究也可謂噩夢一場，因為必須與全球不同觀測站如洪水般湧現的大量數據搏鬥。
美國西北大學的天文學家凱洛格拉（Vicky Kalogera）是LIGO團隊的重要成員，她表示：「我們需要重新思考如何協調多重信使的任務，很快地，我們可能每個月甚至每星期會偵測到一次這類合併事件。以這次事件為例，我們都被迫放下身邊所有事，包括告訴家人和小孩在結果發表前恐怕無法和他們見面。」凱洛格拉認為，合併事件可能很頻繁，到時候大家只得草草研究大部份數據。
冰塊觀測站在2017年9月22日發表的一項新發現，也使多重信使觀測再次展開──定位出一顆高能量微中子的來源。目前已初步確定，該微中子來自一個超大質量黑洞周圍明亮的吸積盤，該黑洞則位於距離我們幾十億光年的星系中心。郝爾琛表示，這項發現代表這類「活躍星系核」很可能是宇宙中多數高能微中子和宇宙射線的來源。他也認為，「天文學家研究宇宙射線源已超過一個世紀，我們距離成功也許僅剩最後一哩路。」
好幾座小型望遠鏡將加入觀測，調查LIGO、VIRGO和冰塊接收的訊號源，但是它們的觀測能力比起大家期盼已久的大型綜合巡天望遠鏡（LSST）明顯遜色許多。LSST主鏡口徑達8.4公尺，預計在2022年展開為期10年的觀測，該望遠鏡位於智利山頂，每隔幾晚會拍攝所有可見天區。LSST將扮演關鍵角色，補足LIGO和VIRGO的「聽覺」或冰塊的「味覺」所無法提供的電磁波資訊。但是，LSST首席科學家泰森（Tony Tyson）解釋：「萬一每晚發生10次重大天文事件，LSST將無用武之地，因為定位任何一個發出重力波或微中子訊號的電磁波源，除了需要望遠鏡觀測數小時，還必須處理百萬兆位元的原始數據。」
然而，多數天文學家都同意，這個領域帶來的希望比挑戰更重要。哈佛大學的天文物理學家羅布（Avi Loeb）研究多重信使天文學的經驗豐富，他表示：「天文學家很少有機會以這類嶄新方式進行研究，看來這一次大自然對我們相當友善。」（洪艾彊 譯）
