双中子星合并会发生什么来自66亿光年外的“相爱相杀”

科普小知识2021-09-13 23:44:33

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宇宙中神秘磁石的形象塑造:王、何聪

本报见习记者程贾伟记者温彩飞杨国保

宇宙中有一种天体。它像黑洞一样神奇，但是它的小身体有着难以想象的质量。这是一颗由大质量恒星-中子星坍缩形成的恒星。

它有多密集？当与地球高速碰撞时，即使是一小勺中子星物质也会造成比恐龙灭绝更严重的灾难中国科技大学天文学教授薛永泉告诉《中国科学日报》。

试想一下，如果两个如此强大的天体融合在一起，会喷出什么样的火花？最近，薛永泉的团队在《自然》杂志上发表的一项研究中给出了答案。

致命的天堂

《爱与杀》

"乒乓球大小的中子星物质的质量和地球上的一座山一样大."薛永泉告诉记者，中子星是直径约20公里的致密天体，这是由于内部热核聚变反应停止，以及当它们演化到后期时无法支撑自身重力的压力。它几乎完全由中子组成，密度非常高。

“磁电机是一种特殊的中子星，它的磁场特别强，是表面磁场的1014~1015倍。科学家们计算出，在距离这颗磁性恒星1000公里的范围内，没有人能够存活。”薛永泉说道。

天文学家发现宇宙中的大多数恒星都是双星系统。如果双星系统是大质量恒星，超新星爆炸将发生在进化的后期。在这个过程中，一个双中子星系统将会形成，而双中子星就像一对“相爱并杀死对方”的恋人。他们“在身体和精神上消耗”和“折磨”彼此，但无法抗拒致命的“吸引力”。

“两颗中子星围绕彼此旋转，释放引力波并失去轨道能量。随着它们越来越近，在猛烈的碰撞和引力波爆发后，它们最终融合成一个。”薛永泉说道。

合并后的“结晶”

人们想知道当“爱与杀”的夫妻最终合二为一并“取得好结果”时，会出现什么样的“爱的结晶”？

以前，主流观点认为两颗中子星合并的直接产物是黑洞。两者的合并将会形成一个新的、密度更大、质量更大的天体。如果这个新天体的质量超过中子星质量的上限，天体内部物质的压力将难以抵消恒星本身的重力，导致恒星直接坍缩成黑洞。

然而，一些学者对此提出质疑。南京大学的戴子教授和其他人预测，如果中子星压力随着核物质密度的增加而显著增加，两颗中子星的合并可以产生一颗新的特殊中子星——一颗质量大、自转速度为毫秒级的磁星。其超高速旋转产生的强大离心力有助于抵抗自身重力。

“如果两颗中子星的合并产物是一颗大质量毫秒磁星，那么由两颗中子星驱动的X射线辐射在空间的各个方向上均匀分布。如果观察者的视线方向与短γ射线爆发的喷射方向之间的角度较大，则预计会看到没有相应短γ射线爆发的X射线临时源和光学变化曲线上的特征平台。”南京大学天文与空间科学学院教授罗斌在接受《中国科学日报》采访时表示，这种天体将是双星合并产生磁星的有力证据。

然而，中子星离地球很远，必须使用灵敏的X射线空间望远镜来观察双中子星融合的壮观景象，尤其是X射线爆发信号。

为此，薛永泉的团队在钱德拉X射线太空望远镜的帮助下，完成了当天最深、最灵敏的X射线观测——700万秒的钱德拉南天空深度场。从1999年到2016年，他们连续拍摄了102张精心挑选的约1/4满月大小的天空照片，总曝光时间为700万秒。

之后，研究小组分析了一系列天空调查的数据。在2015年3月完成的观测中，它发现了一种新的X射线信号，这种信号以前只存在于理论推测中。这个信号来自一种新型的临时X射线源，距离我们大约66亿光年，它的X射线辐射持续了大约7个小时。

各种关键观测数据表明，这一信号很可能来自两颗中子星合并后产生的磁星。

希望观察引力波爆发

“66亿光年以外的光辉为未来的引力波探测和中子星研究带来了新的方向。”谈到这一发现，薛永泉自豪地说，即使没有看到短时间的伽马射线爆发，人们也可以通过磁星的X射线辐射了解到更多关于双中子星和中子星本身合并的情况。

他说中子星这种核物质的状态方程还没有被清楚地理解。这一发现证实了两颗中子星合并的直接产物可以是一颗大质量毫秒磁星，排除了一批核物质模型，阐明了中子星状态方程和极高磁场强度等一系列基本物理特征，加深了对中子星基本性质的理解。

“此外，两颗中子星的合并会产生一个非常强的引力波风暴。如果将来发现类似的喷发，而且喷发距离我们足够近，我们可以将引力波观测和x光观测数据结合起来，完全有可能对引力波喷发的奇迹有更深的理解。”薛永泉说道。

双中子星合并会发生什么 来自66亿光年外的“相爱相杀”