中国科学家证实双中子星合并直接产物不仅是黑洞

遥远宇宙中神秘磁铁的想象形象(形象塑造:王、何聪)

XT2的X射线特征光曲线(左上)和图像(右下)及其相对于宿主星系的位置(右上)

4月10日21时，天文学家发布了人类历史上第一张黑洞照片。黑洞位于M87星系，离地球很远。它的质量非常大，大约是太阳质量的35-65亿倍。然而，宇宙中仍有大量恒星黑洞(质量是太阳的几倍到几十倍)。天文学家认为，这种恒星黑洞通常起源于大质量恒星在其演化结束时的剧烈坍缩，或者两个致密天体(如两颗中子星)的合并过程。后者伴随着短伽马射线爆发和引力波的爆发，是近年来多信使天文学研究的焦点。

两颗中子星合并的直接产物只是黑洞吗？还没有明确的结论。

南京大学天文与空间科学学院的罗斌教授和张斌斌副教授在《自然》杂志最近发表的一篇题为“双中子星合并形成的磁体驱动的瞬态X射线源”的文章*同参与了这一发现，首次证实了双中子星合并可以形成磁星，并发现了磁星驱动的短时尺度X射线辐射(或X射线瞬态源)。钱德拉空间X射线卫星观测到的临时源称为“X射线临时源”，其主要辐射带是X射线。X射线源的持续时间约为几个小时，呈理论预期的平台形状，并在下降阶段过渡到光曲线。

黑洞的产生过程是天体物理学研究的一个热点。以前，主流观点认为两颗中子星合并的直接产物是黑洞。两颗中子星越来越近，在猛烈碰撞和释放引力波爆发后，最终融合成一颗，形成一个新的质量更大、密度更大的天体。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，导致恒星迅速坍缩成黑洞。

然而，一些学者对此提出质疑。早在2006年，南京大学教授戴子就提出了另一种观点。除了黑洞之外，还有另一种可能性是两颗中子星合并的直接产物，即两颗中子星合并成一颗质量更大的中子星。一般来说，这种中子星将有一个强磁场(地球磁场的几亿倍甚至几亿倍)和一个更快的旋转(周期在毫秒级)，通常称为大质量毫秒磁星(以下简称磁星)。然而，这种类型的磁星的存在还没有被现有的天文观测所证实。

在2017年的引力波GRB事件中，尽管证实了两颗中子星的合并过程会产生伽玛暴，但由于引力波信号较弱，天文学家尚未从引力波数据中证实合并产物是黑洞还是磁性恒星。

据介绍，如果两颗中子星的合并产物是一颗磁星，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是均匀分布的。如果观察者的视线方向和短γ射线爆发的喷射方向之间的角度较大，则可以看到没有相应短γ射线爆发的X射线瞬态源和光学变化曲线上的特征平台。这种天体将是两颗恒星合并产生磁性恒星的有力证据。

然而，中子星离地球很远，必须用灵敏的太空望远镜来观察两颗中子星合并的壮观景象，尤其是X射线爆发信号。

钱德拉太空望远镜是当今世界上最先进的X射线探测器之一，它在1999年至2016年间拍摄了102张精选的天空照片，照片大小仅为满月的四分之一，总共曝光了700万秒。

后来，当研究小组分析了一系列天空勘测的数据时，发现了一种新的X射线信号，这种信号只存在于2015年3月完成的一次勘测的理论推测中，这在世界上首次证明了双中子星合并的直接产物可以是磁星。这一发现证实了双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，进一步加深了对中子星基本性质的理解。

最初，研究小组发现了一种新型的临时X射线源(称为CDF-S XT2，缩写为XT2)，其X射线辐射仅持续约7小时，距离地球约66亿光年。初步分析表明，该源符合上述临时x光源的特性。

源有更高能量的伽马射线爆发吗？张斌斌利用第一手费米卫星、INTEGRAL卫星和其他卫星观测到的数据，对伽马射线波段的可能辐射源进行了多距离高精度搜索。最后，证实了该源没有相应的短伽马射线爆发对应物，并给出了严格的观测上限。这个结论在理解源头的物理本质中起着关键作用。

国际同事说，这一发现表明，通过磁性恒星的X射线辐射，可以知道更多中子星的秘密。这意味着66亿光年以外的辐射为未来的引力波探测和中子星研究照亮了一个新的方向。论文的第一作者、中国科技大学教授薛永泉说。

这项研究是与包括南京大学在内的国内外许多单位和研究机构合作进行的。(蔡文·齐琦公主)

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1079-5