雙中子星合併會發生什麼?來自66億光年外"相愛相殺"
2019年04月16日09:46

  來源:中國科學報

  作者 | 程唯珈 溫才妃 楊保國

宇宙中神秘磁星的假想圖。圖像創作:王國燕、何聰
宇宙中神秘磁星的假想圖。圖像創作:王國燕、何聰

  宇宙中有一種天體,它和黑洞一樣非常神奇,小小的身體卻有著超乎想像的質量,它就是由大質量恒星坍塌而成的星體——中子星。

  它的密度有多大?“當與地球發生高速碰撞時,即使是一小勺的中子星物質,都會造成比恐龍滅絕更為嚴重的災難。”中國科學技術大學天文系教授薛永泉告訴《中國科學報》。

  試想一下,假如兩個這樣強勢的天體合併在一起,又將會迸濺出怎樣的火花?近日,薛永泉團隊在《自然》發表的一項研究作出了回答。

  致命天體的“相愛相殺”

  “乒乓球大小的中子星物質的質量和地球上的一座山相當。”薛永泉告訴記者,中子星是大質量恒星演化到晚期時,由於內部熱核聚變反應停止,壓力支撐不住自身引力,而塌陷成一種直徑約20公里的緻密天體。它幾乎全部由中子組成,密度極大。

  “磁星是一種特殊的中子星,它的磁場特別強,是地表磁場的1014~1015倍。科學家計算,距離該磁星一千公里內,人類都無法生存。”薛永泉說。

  天文學家發現,宇宙中的大多數恒星都是雙星系統,如果雙星系統都是大質量恒星,演化到後期則會發生超新星爆炸。

  在此過程中,會形成一個雙中子星系統,而雙中子星就像一對“相愛相殺”的情侶,彼此“身心消耗”、互相“折磨”卻又擋不住致命的“吸引”。

  “兩個中子星互相繞轉,釋放引力波,軌道能量損失,於是越靠越近,最終在劇烈碰撞、釋放引力波暴之後合二為一。”薛永泉說。

  合併後的“結晶”

  人們好奇,當這對“相愛相殺”的情侶終於合二為一、“修成正果”後,它們又會誕生出怎樣的“愛情結晶”?

  此前,主流觀點認為,雙中子星併合後的直接產物是黑洞。二者合併後會形成一個新的、質量更大的緻密天體。

  如果這個新天體的質量超過中子星的質量上限,天體內部物質的壓力將難以抗衡星體自身的引力,使得星體直接坍縮成為一個黑洞。

  但也有學者對此提出質疑,南京大學教授戴子高等人曾預言,若中子星壓強隨核物質密度的變大而顯著增加,則雙中子星合併可以產生新的、特殊的中子星——大質量毫秒快轉的磁星,其超高速自轉產生的強大離心力可以幫助抵抗自身的引力。

  “如果兩個中子星的併合產物是大質量毫秒磁星,其所驅動的X射線輻射在空間分佈是各向均勻的,若觀測者視線方向與短伽瑪射線暴噴流方向夾角較大,預期將會看到一個沒有對應的短伽瑪射線暴、光變曲線具有特徵平台的X射線暫現源。”南京大學天文與空間科學學院教授羅斌在接受《中國科學報》採訪時表示,這類天體將是雙子星併合產生磁星的有力證據。

  然而,中子星距離地球非常遙遠,要想觀測到雙中子星合併的壯麗景象,尤其是X射線爆發信號,必須借助靈敏的X射線太空望遠鏡。

  為此,薛永泉團隊借助錢德拉X射線太空望遠鏡完成的、當今最深最靈敏的X射線巡天觀測——七百萬秒錢德拉南天深場,在1999年到2016年間,陸續對天空中精心選出的一小片約1/4滿月大小的區域拍攝了102次,總計曝光七百萬秒。

  隨後,研究團隊對該系列巡天觀測的數據進行分析,在完成於2015年3月的觀測里,發現了以前只存在理論猜想中的新型X射線信號,該信號來自於約66億光年外的新型X射線暫現源,其X射線輻射持續時間約7小時。

  各種關鍵觀測數據均表明,該信號極有可能源於雙中子星合併之後產生的磁星。

  有望觀測引力波暴

  “來自66億光年外的光輝,為未來的引力波探測和中子星研究帶來新的方向。”談及此次發現,薛永泉驕傲地說,即使沒有看到短伽瑪暴,人們也能通過磁星的X射線輻射,瞭解雙中子星合併以及中子星自身更多的秘密。

  他介紹,人們對中子星這種核物質的狀態方程尚未瞭解清楚。

  該發現證實了雙中子星併合的直接產物可以是大質量毫秒磁星,排除了一批核物質模型,明確了一系列關於中子星物態方程和極高磁場強度等基本物理特質,深化了對中子星基本屬性的認識。

  “此外,雙中子星合併會產生非常強的引力波暴。如果將來又發現類似的爆發現象,並且該爆發事件離我們足夠近的話,我們可以將引力波觀測與X射線觀測數據結合,完全有可能更加深入地理解此類引力波爆發的奇觀。”薛永泉說。

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