中子星爆撞 賣力演出之「雙波記」

中子星爆撞 賣力演出之「雙波記」
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我們想讓你知道的是

這次觀察到的事件證明了,至少有一些短時間的伽馬射線暴是由中子星相撞引發。它提供了證據顯示潮汐力(tidal forces)將超密的天體撕裂開來,接續的爆炸產生了像金、鉑、和鈾這一類的重金屬,甚至帶來測量宇宙膨脹率的新方法。

作者:Andrew Grant
中文編譯:林中一教授

2017年8月17日的時候,重力波雷射干涉儀天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)和她的姊妹天文台Virgo都偵測到了一重力波。在信號消失不到兩秒鐘之內,費米伽馬射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-Ray Space Telescope)確認了在南方天空發出的一道閃光。雖然那需要花好幾個小時才能完成查證,但兩個中子星發生爆撞的前後期都已經被研究者們看到了。

在接下來幾個星期的驗證期間,70座在太空和地面的望遠鏡收集了這一次伽馬射線暴(GRB)事件整個的電磁光譜數據。這個天文大事件發生的地點是在一百三十萬光年之外NGC4993銀河的長蛇座。在2017年10月16日刊出的50篇科學論文紀錄了這一次的發現,其蘊含的意義遠超過重力波天文學。

這次觀察到的事件證明了:至少有一些短時間的伽馬射線暴是由中子星的相撞引發的。它提供了證據顯示潮汐力(tidal forces)將超密的天體撕裂開來,接續的爆炸產生了像金、鉑、和鈾這一類的重金屬。它甚至提供了新的方法來測量宇宙膨脹率。也排除了一些對廣義相對論(也就是愛因斯坦的重力理論)的修正。總的來說,這個發現綱列了許多能訴求於重力波與電磁天文台合作解決的研究問題。

抽中大獎了

自從50年前美國的人造衛星在監看蘇聯的核子試爆時瞥見了一次之後,天文學家們就困惑於伽馬射線暴的來源是什麼。不過有一級主暴時間短於兩秒鐘的特殊的短伽馬射線暴,其來源就被認為是由中子星併合(neutron star merger)所引發的(參見《今日物理》(Physics Today)2005年11月號p.17)。

以往要將城市大小的球體之間的相撞與伽馬射線暴連繫在一起是不可能的,直到LIGO和Virgo出現之後,科學家們才能透過這些針對偵測重力輻射最佳化的設備,觀察到一個緊密雙星系統最後的陣痛。天文學家們並沒有找到LIGO最初的四個偵測中任何一個的電磁對手,而這些電磁輻射是來自據信會發射少量輻射的黑洞併合時放射出來的。

2017年8月17日偵測到的重力波信號立刻引起注意。LIGO位於路易斯安納州和華盛頓州的兩具偵測器在超過一分半鐘的時間裡記錄到了3,300個振盪,這個時間是LIGO先前的四次個別收錄時間的500倍。信號持續的時間和的形狀表現出了中子星們的軌道共舞。合併有2.7個太陽質量的這兩個中子星,最終不是合而為一個大的中子星,就是變成一個黑洞。

儘管LIGO偵測器所測量到的是強烈信號,但是座落在義大利的Virgo只記錄到微弱的光點。那個時候VIRGO天文台才剛開始運作了幾個星期(參見2017年9月27日線上《今日物理》文章「LIGO與Virgo搭檔觀察黑洞併合」”LIGO and Virgo team up to spot black hole merger”)。 研究者們很快的對這個觀測的差別有了結論,就是碰撞發生在VIRGO天文台的盲點,這也使得波源的位置被由190平方度(square degrees)窄縮到了28。而費米太空望遠鏡的伽馬射線暴監視器的1100平方度的監控範圍則剛好涵蓋了目標區(請見圖1)。在位置與時間點之間,費米與LIGO-Virgo合作團隊的科學家們確信他們觀察到的是同一個事件。

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圖1. 區域定位。LIGO和Virgo的重力波偵測器將8月17日的中子星併合發生地點限縮了到28平方度的區域,就是圖中墨綠色的部分(實際的位置在紅色x處)。那個區塊正好落在費米伽馬射線暴偵測器設定的邊界之內(藍色部分)也在費米與INTEGRAL 望遠鏡的數據(灰色區域)重疊的部分。(改編自參考文獻2)

一個偏向的重金屬噴發

大約在費米望遠鏡偵測到那道閃光的10小時後,座落在智利的斯沃普望遠鏡(Swope Telescope in Chile)看到了那道噴發的可見光副本(請見圖2)。在接續的幾個星期內,許多座望遠鏡都浸泡在來自NGC4993方向的光子裡。那些觀測為這個天文併合的過程以及後續繪製了一幅生動的圖畫。

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圖2. 眼見的確認。圖中箭頭指處係位於智利的斯沃普望遠鏡所得到的8月17日伽馬射線暴的第一個眼見的觀測。隨後的發光趨向紅色。(承蒙1M2H團隊/聖塔克魯斯加州大學及卡內基天文台/萊恩.福理(1M2H Team/UC Santa Cruz and Carnegie Observatories/Ryan Foley)同意刊登)

不像沒有內部結構的黑洞,中子星是會受到潮汐力的影響的。潮汐力會在軌道頻率達到大約50赫茲後明顯增強。哥倫比亞大學的梅茲格(Brian Metzger)估計潮汐力的強拉再加上後續的碰撞會剝去大約百分之一太陽質量的富含中子物質。雖然他懷疑併合會短暫的產生一個更大的中子星,然而終極的產物(一秒鐘之內就會形成)則可能是一個快速旋轉的黑洞,外面還環繞著一個快速生長的碎片碟。被超強磁場所驅動,多數的碎片會以接近光速的速度以噴射流的形式噴發出來。在噴射流射出之後,激起的噴出物會在併合的前期製造了伽馬射線暴。

這並非原型的噴發。雖然這個事件是測量到距離最近的短伽馬射線暴,但是伽馬射線的強度比預期的弱了好幾個數量級。此外,天文學家們通常在一瞄準他們的望遠鏡後就會觀察到的X-光和無線電波卻遲遲的分別在伽馬暴後9天和16天後才到達。這些因素引導了研究者們得到一個結論,就是碎片噴射流的方向並非直接朝向地球。噴射流花了好幾天才慢了下來,截面積才變得夠寬來引發出一些落在這些天文學家視線上的亮光。科學家們幾十年來一直在搜索這種偏離軸線方向的伽馬射線暴以及它的「孤兒餘暉」(orphan afterglow)。這一次的發現暗示,在大約20%的短伽馬暴中有許多缺少了X-光分量的事件是發生在相對附近的偏離軸線事件。


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雖然腸泌素在臨床益處顯而易見,可受到健保財務吃緊,2019年起健保給付限縮影響,目前國內腸泌素健保給付僅限於糖化血色素達到8.5%,且時間持續長達6個月;或已發生如心肌梗塞、缺血性腦中風等重大心血管疾病者。

但因為多數醫師不會眼睜睜看著病人血糖持續居高不下,大部分在糖化血色素超標但未達8.5%之前就會調整藥物,導致健保給付門檻和臨床狀況有極大落差,使糖友們看得到卻用不到。

糖化血色素換算平均血糖值

  • 正常血糖控制目標:空腹血糖130 mg/dL、餐後血糖160-180 mg/dL、糖化血色素7%以下(根據不同年紀與臨床狀況,控制目標會有些微差異)。
  • 糖化血色素8.5%時:平均血糖在200 mg/dL以上,相當於空腹血糖接近200 mg/dL、餐後血糖250-260mg/dL,而這樣的數值離建議目標有一段距離。

李弘元醫師指出,如不符合上述健保給付標準者須自費使用腸泌素,每個月平均要花上3000至4000元的藥物支出,還不含門診掛號、診療、照護等相關費用,長期累積下來金額相當可觀。

因此在現行健保給付條件下,造成很多糖友即使血糖控制不佳,卻因經濟不允許,無法及早使用腸泌素治療,進一步增加衍生心腎共病的風險。此一結果不僅對糖友病情控制是一大打擊,長期也反而更無助於降低整體健保財務支出。

3年就回本!糖尿病關懷基金會:盼下修腸泌素健保給付條件打造雙贏局面

而對於此一現況,李弘元醫師強調,雖然他認同為維持台灣醫療體系長久運作,健保財務考量有其必要性。但就長遠目標來看,腸泌素現有的健保給付標準不僅在臨床實務上有違常理,更不符合國際現況。

李弘元醫師進一步分享,綜觀亞洲地區鄰近國家的藥物給付標準,在日本、韓國、中國大陸都沒有針對腸泌素訂定類似的使用限制;全世界目前也沒有任何一個國家像台灣一樣,必須糖化血色素超過8.5%以上,且持續長達半年才能開立。

同時,李弘元醫師表示,根據糖尿病學會與醫療經濟學專家的計算數據顯示,若能將腸泌素給付標準從糖化血色素8.5%下修到7.5%,雖然短期內藥費支出會增加,但在第三年起即可因減少重大心腎併發症支出,減輕約2300萬點健保支出,相當於前兩年增加藥費支出的總和;且於第四年與第五年分別可節省約6800萬與1億2400萬點,長期下來,有望減少的健保支出花費將相當可觀。

總結來說,如未來相關單位有機會放寬給付標準,幫助糖友盡早使用腸泌素介入治療,不僅有助節省健保開銷,對糖友來說也有器官保護、降低死亡率的益處,是患者與社會皆能受惠的雙贏局面。


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