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真·宇宙噴泉現身:中子星碰撞又出新番!

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真·宇宙噴泉現身:中子星碰撞又出新番!

|·?本文來自“我是科學家”·|

今天,《科學》(Science)發表的一篇論文首次證明:1億多光年外的一對中子星碰撞后產生了巨大的宇宙“噴泉”——接近光速的噴流。

說起來,這對中子星可算得上是有頭有臉的“明星”了!

還記得2017年天文界爆出后迅速席卷全球各大媒體的那個大新聞(剛剛見分曉!天文學家們憋到快炸的大新聞,到底說了啥?)嗎?沒錯,它們就是那次新聞的主角。

2017年8月17日,地球上的激光干涉引力波探測器(LIGO)探測到一個引力波。2秒后,伽瑪射線衛星Fermi探測到一個持續時間為2秒的伽瑪射線暴。

經過研究,科學家們確定這個引力波和這個伽瑪射線暴來自一對碰撞的中子星。這是人類首次同時觀測到來自同一天體物理系統發出的引力波與電磁波,這對中子星由此一撞成名,而它們的表演,才剛剛開始。

雙星相擁,精彩不斷

中子星里面幾乎全部是緊密擠在一起的中子,半徑只有大約10千米,但它們的質量卻比我們的太陽還要大,是地球質量的幾十萬倍那么大,因此是高度壓縮的星體。這么致密的天體大部分是大質量恒星死亡時的猛烈收縮壓出來的。試想,讓兩顆這樣的星體撞在一起,會產生怎樣的“火花”呢?

天文學家對此也很好奇,一直期望能夠直接探測到兩顆中子星碰撞產生的種種現象并在理論上進行了大量的研究。這個愿望終于在2017年實現了——那對緊緊相擁的中子星著實“表現不凡”,給科學家們帶來一個又一個驚喜。

科學家在后續的觀測發現了中子星碎片發出的紫外線、可見光與紅外線——這就是天文學家尋覓二十年的千新星(2013年哈勃太空望遠鏡發現了一個疑似的千新星,但證據不是非常強,因此只是候選體)。

此外,X射線望遠鏡和射電望遠鏡分別發現了這次爆發發出的X射線輻射與射電輻射,它們分別是伽瑪射線暴的“X射線余輝”與“射電余輝”。

天文學家們普遍認為:中子星碰撞拋出的碎片產生了千新星,其旋轉軸方向上噴發的噴流制造出伽瑪射線暴與余輝。

這個噴流,就像宇宙中的巨型“噴泉”。

中子星碰撞后的噴流堪比宇宙“噴泉”。圖片來源:Wikimedia Commons|Ammar shaker

雖然有很多進展和驚喜,但還是有問題沒解決。其中一個問題就是:制造出伽瑪射線暴與余輝的噴流到底是什么樣的形態?此前人們一直不甚了然,而在今天(北京時間2019年2月22日),一項發表在《科學》上的新研究解開了這個謎團,為中子星碰撞事件再添新番。

中子星碰撞,產生了哪些“宇宙特效”?

兩顆中子星在環繞共同中心旋轉,緩慢接近,最終發生碰撞。碰撞前后的很短時間內,有一些中子星碎片會被拋灑出去;剩余的部分要么合并為一個黑洞,要么形成更大質量的中子星。

中子星碰撞的過程與碰撞前后會產生蔚為壯觀的“宇宙特效”——一系列絢麗多彩的天文現象。我們就以2017年觀測到的那對中子星碰撞事件為例,來強勢圍觀一下:

首先登場的是引力波。在這對中子星彼此纏綿環繞的過程中,會源源不斷輻射出引力波,但在絕大部分時間里,這些引力波都比較“低調”(頻率低),無法被當前的引力波探測器探測到。直到碰撞瞬間和前后很短時間內發出的引力波,才被人們成功探測到。這次探測到的引力波就是這個時間段內發出的。

兩個中子星互相環繞并發出引力波的藝術想象圖。圖片來源:P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF

隨后產生的是千新星(電磁波,可見光為主)。碰撞前被拋出的碎片中,有一部分會不斷向外擴散,里面的大量中子衰變為質子,質子又與剩余的中子一起合成重元素,如金、銀、鈾、钚,等等。這些重元素中的放射性元素發生放射性衰變、裂變等過程,釋放出大量能量,將這些碎片加熱到上萬度,輻射出紫外線、可見光與紅外線。這類爆發通常只需要一天左右就可以達到最亮,亮度比絕大部分超新星暗,同時是典型新星亮度的一千倍左右,因此被稱為“千新星”。

紅色箭頭所指,就是第一個被確認的千新星。圖片來源1M2H / UC Santa Cruz和Carnegie Observatories / Ryan Foley

相伴而來是伽瑪射線暴(電磁波,伽瑪射線為主)。碰撞前拋出的另一部分碎片會重新向中心回落,堆積成一個盤狀物,即“吸積盤”。吸積盤與中心的黑洞或者大質量中子星構成一個系統。吸積盤的物質向內回落,黑洞或者中子星旋轉軸方向上噴發出噴流,噴流內的電子被加速,輻射出大量伽瑪射線,形成伽瑪射線暴。

在這之后,還有伽瑪射線暴的多波段余輝(電磁波,X射線和射電為主)。伽瑪射線暴的噴流在向外噴發時,會沖擊周圍空間中的稀薄介質,將介質中的電子加速,高速電子釋放出伽瑪射線、X射線、可見光與射電輻射,它們聯合起來組成了伽瑪射線暴的多波段余輝。如果余輝中有可見光成分,就會與千新星中的可見光混合起來。這次被觀測到的只有X射線余輝與射電余輝。

(注:由于觀測條件的限制以及千新星需要至少幾小時才能明亮到足以被望遠鏡探測到,千新星在伽瑪射線暴被探測到之后十個半小時才被探測到。)

藝術想象圖:中子星碰撞之后,一些碎片噴發出去后不斷向外擴散,包圍住這個系統,形成千新星;一些碎片回落,形成吸積盤,吸積盤中的物質落向中心的黑洞或超大質量中子星,并從黑洞或者中子星旋轉軸方向噴發出噴流,形成伽瑪射線暴;噴流與星際空間中的物質相互作用,產生多波段余輝。:圖片來源: O.S. Salafia, G. Ghirlanda, NASA/CXC/GSFC/B. Williams et al.

宇宙“噴泉”也要驗明正身?

不過,這樣的噴流可不僅限于一種情況。中子星碰撞后可能形成真噴流、噴流繭以及“嗆住的噴流”。

所謂的真噴流,就是成功地在空間中傳播出去的噴流,速度接近光速;噴流繭就是噴流在向外噴發時與周圍物質相互作用后形成蠶繭形狀的一種結構,比真正的噴流寬很多;而嗆住的噴流,指的是噴流沒有成功沖出去,而是在中途被物質阻擋,就像人吃東西時被東西嗆住,東西進不了肚子。

不同類型噴流的示意圖。繪制者:Yuki、王善欽

那么,2017年的雙中子星碰撞事件產生的噴流屬于哪種情況呢?這次剛剛發表的研究正是回答了這一問題。

為了確定這次產生伽瑪射線暴與余輝的噴流的具體結構,由意大利科學家Ghirlanda領銜的小組利用分布于全球五大洲的32個射電望遠鏡構成的陣列,對事件爆發后207.4天的射電余輝進行了觀測。必須強調的是,這里說的余輝,不是整個事件的余輝,而只是其中的伽瑪射線暴的余輝。

分布于世界上五大洲的32個射電望遠鏡參與了觀測。圖片來源:Paul Boven

根據得到的數據,Ghirlanda等人測量出噴流的大小。他們的研究表明:它不是噴流繭,也不是嗆住的噴流,而是一個真正的噴流,其速度極高,接近光速。Ghirlanda認為,雙中子星碰撞事件中,大約有10%會形成這樣的宇宙“噴泉”。

宇宙“噴泉”(噴流)的藝術想象圖。圖片來源:Science|Beabudai Design

中子星碰撞產生的宇宙“噴泉”,在多國學者的共同合作研究下終于被驗明正身。精確地說,這是一個“結構化”的真噴流,而不是最簡單的真噴流。

值得指出的是,這32個射電望遠鏡中,有3個位于中國境內:昆明、上海、烏魯木齊。這三個望遠鏡分別是中國科學院的云南天文臺、上海天文臺與新疆天文臺的。因此,這次篇論文中有來自中國學者的貢獻。

這個研究成果首次確定了雙中子星碰撞形成的噴流的具體形態,是這個領域的一個重要進展,同時也再一次體現出國際合作的重要性。(編輯:Yuki)

參考文獻:
    G. Ghirlanda et al., Science10.1126/science.aau8815 (2019).
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