两颗中子星相撞

两颗死亡的恒星如何相撞、锻造黄金，并在 1.3 亿年后在地球上既被“听到”又被看到

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两颗中子星

每一颗都是大质量恒星的核心在超新星爆发中坍缩后留下的：比太阳还重的质量，被压进一个城市大小的球里，主要由中子构成。它们的引力强到连背面发出的光也会弯向我们，所以看起来比实际大约四分之一。

它们各自诞生于自己的超新星爆发，却一直被彼此束缚在一起。从那以后，它们的轨道不断收缩，这里只剩下一个多小时。它们位于长蛇座的星系 NGC 4993 中。

空间的涟漪

它们一边绕转，一边震动空间本身。引力波以光速向外传播，把空间朝一个方向拉伸、朝另一个方向压缩，每转一圈两次。

引力波带走能量，而这能量来自轨道，所以两颗星越靠越近、转得越来越快。中子星比首次被“听到”并合的那对黑洞轻得多，因此引力波更弱，旋近也慢得多。

这里把引力波画在轨道平面上：空间被拉伸处为金色，被压缩处为蓝色。此时它们每秒起伏六次，每个波长约 5 万公里，是地球宽度的四倍。

越来越快

时间加快：在接下来的一小时里，两颗星的距离从 1000 公里缩小到 400 公里，并加快到每秒转 12 圈。现在它们的引力波已快到能被 LIGO 和 Virgo 听到。

离得越近，转得越快，引力波越强，所以轨道收缩得越来越快。从这里开始，两颗星只剩 100 秒，在这段时间里它们还会再转将近 2000 圈。

引力波的音高是轨道每秒圈数的两倍。在每秒振动 24 次时，这对星进入了美国 LIGO 两台探测器和意大利 Virgo 的“听觉”范围，它们能捕捉每秒约十次到几千次振动的波。

最后 100 秒

时间先加快，再放慢：在最后 100 秒里，两颗星从相距 400 公里靠近到几乎相触，引力波的音高从每秒 24 次升到一千多次。

这就是 LIGO 和 Virgo 听到的：大约 100 秒里的数千次振动，越来越高、越来越强，比黑洞并合那不到一秒的啁啾长得多。转换成声音，它像鸟鸣一样上扬。

这段长长的啁啾让科学家能精确地称量这两颗星。决定音高上升快慢的质量组合为 1.19 个太阳质量，精度达千分之一个太阳质量；两者各自的质量则没那么精确：如果它们像很可能的那样自转缓慢，约为 1.46 和 1.27 个太阳质量。

被撕碎

放慢约 2000 倍：被彼此引力拉长的两颗星，以光速的 40% 相触。潮汐力从它们身上撕出物质的旋臂，以最高达光速四分之一的速度甩出。

每颗星靠近对方的一侧比远侧受到的引力更强，在最后几圈里，潮汐力把它们拉得变了形。相撞时，它们的外层被撕下，甩成两条弯曲的旋臂，就像旋转的花园洒水器喷出的水。

在它们相遇的地方，撞击把物质挤压并加热到数千亿度，更多物质喷涌而出，朝两极的最快。这里真正发生了什么，只能从超级计算机模拟得知，画面中的形状只是大致依照模拟。

重得撑不下去

两颗星合为一颗约 2.7 个太阳质量的星，每秒自转数百次。它太重，无法长久支撑自己，于是坍缩成一个被碎片盘环绕的黑洞。

起初，只有快速自转和高温撑着这颗合并后的星。已发现的最重中子星也只比两个太阳质量稍多一点，而这次碰撞的光表明，合并后的星在不到一秒内坍缩成直径约 15 公里的黑洞。

仍在绕转的气体形成一个又热又厚的盘，黑洞在大约一秒内把它吞掉或吹散。这里时间先放慢、后加快，被抛出的物质云画成透明，好让恒星和黑洞露出来。

伽马射线喷流

沿着它的自转轴，一道细窄的喷流以接近光速冲出。它的伽马射线（这里画成紫色）比引力波晚 1.7 秒到达地球。

喷流很可能由黑洞的自转和盘的磁场驱动。它必须钻穿先前抛出的物质。它的伽马射线能量高到任何眼睛都看不见，正是天文学家所说的短伽马射线暴那一闪。

NASA 的费米卫星捕捉到了这次暴发，即 GRB 170817A，持续约两秒。它异常暗弱，因为喷流并没有对着我们：后来的射电图像显示它偏离了约 20 度。它在 1.3 亿年的旅程后比引力波晚 1.7 秒抵达，表明引力以光速传播，精度达 10¹⁵ 分之一。

千新星

时间加快：被抛出的物质，约 2 万个地球质量，随着其中新生重元素的衰变而发光。这团光辉，也就是千新星，亮如数亿个太阳。

新生成的原子不稳定，会在数小时、数天内衰变，从内部加热这团云。它比新星（白矮星表面的一次爆发）亮约一千倍，因此在 2010 年被命名为千新星。这是人类看到的第一颗千新星。

碰撞后 11 小时首次被发现时，它亮如约 2.7 亿个太阳，并且已经开始变暗。它最初的几个小时没有被观测到，所以这里依照模型。它呈蓝白色，约 1 万度，以接近光速三分之一的速度膨胀。

黄金与铂

日子加快：它从蓝白色冷却成红色并逐渐暗淡。它的光表明有比铁更重的元素正在生成：其中发现了锶，也生成了金和铂。

碰撞后的第一秒里，被抛出的物质富含中子，原子吸收中子的速度快过自身衰变，从而堆砌出比铁重得多的元素。这就是快过程，即 r 过程；比铁重的元素大约一半被认为是这样形成的。

与金、铂一同生成的镧系元素等重原子会挡住蓝光，所以随着云团变稀，它的光先变红，再变成红外线。2019 年，人们在它的光中认出了锶。至于生成了多少黄金则不太确定：估计从几倍到几百倍地球质量不等。

从地球上看

2017 年 8 月 17 日协调世界时 12:41，引力波扫过地球，1.7 秒后伽马射线到达。11 小时后，智利的一台望远镜在星系 NGC 4993 中找到了新的光。

LIGO 的两台探测器和 Virgo 一起，把源头缩小到长蛇座中约相当于 130 个月球面积的一小片天空，距离约 1.3 亿光年。天一黑，世界各地的望远镜就开始搜寻那里的星系。

最先找到它的是智利拉斯坎帕纳斯的斯沃普望远镜：NGC 4993 中心附近一个新的光点。几天之内，七大洲和太空中约 70 座天文台都观测了它，从伽马射线到射电波。这里的星系按一个简单模型绘制。

既被听到，也被看到

这是同一事件第一次既在引力波中被“听到”，又在光中被看到。它揭示了宇宙中大量黄金的诞生之地。

它证明了中子星碰撞会引发短伽马射线暴并锻造重元素，也证明了引力波以光速传播。引力波的强度给出了距离，星系远离我们的速度则提供了测量宇宙膨胀快慢的新方法。

几天后出现了 X 射线，随后是射电波：喷流的余辉，此后数月一直在变亮。2019 年，探测器又听到了另一对中子星相撞，但没有找到它的光。到 2025 年为止，这仍是唯一一次既被听到又被看到的碰撞。