超級電腦模擬中子星碰撞的關鍵1.5秒 揭開宇宙重元素誕生之謎

2017年天文學界首度觀測到中子星碰撞產生的重力波，這項里程碑標誌著「多信使天文學」新紀元的來臨。如今科學家不僅能透過電磁波研究宇宙，更能結合重力波與微中子等觀測手段，全方位探索宇宙奧秘。

中子星是大質量恆星超新星爆發後的殘骸，密度之高令人難以想像——僅僅一茶匙的中子星物質，重量就相當於整座山脈。當兩顆中子星相互碰撞時，會產生三大關鍵現象：重力波、伽瑪射線暴，以及大量重元素（如黃金與鉑金）的生成。在此過程中，幾乎不與物質互動作用的微中子也會逃逸至宇宙中。

為模擬這驚心動魄的1.5秒，研究團隊動用了日本「富嶽」超級電腦，耗費1.3億CPU小時，同時使用2萬至8萬個CPU核心進行運算。他們結合愛因斯坦廣義相對論、微中子輻射，以及強磁場與核麵糰（nuclear pasta）等高密度物質的互動作用，完成了迄今最精確的中子星合併模擬。

馬克斯·普朗克重力物理研究所博士後研究員林孝太表示：「從基本原理預測雙中子星合併的多信使訊號極具挑戰性，但我們現在做到了。這是目前歷時最長、最複雜的雙中子星合併模擬。」

模擬中的兩顆中子星質量分別為太陽的1.25倍與1.65倍。在1.5秒內，它們相互環繞五圈，並以重力波形式釋放軌道能量。最終因密度過高立即塌縮成黑洞，同時產生可被現有觀測站偵測到的重力波訊號。

計算相對論天體物理部門主任柴田優指出：「我們發現黑洞周圍會形成物質盤，而中子星原有的強磁場在黑洞快速旋轉下增強，將物質加速成沿自轉軸噴發的噴流。這種磁場驅動的能量流動，很可能就是伽瑪射線暴的成因。」

這項發表於《物理評論快報》的研究，不僅驗證了理論預測的微中子輻射（尚未實際觀測到），更詳細呈現了富含重元素的千新星事件形成過程，為解開宇宙重元素來源之謎提供關鍵線索。