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守得“云”开见磁星

文章来源:科技日报   发布时间:2019-04-18  【字号:     】  

王国燕 何聪 制图

  “一钩新月天如水”,晴朗的夜空在人们的想象中,往往是寂静祥和的。然而,在天文学家眼里,黑暗的宇宙却到处埋藏着强力的定时炸弹,随时随地会猛然爆发。尤其是在人们开始在X射线、伽马射线等极高能量的电磁波段观察宇宙时,众多的爆发事件就像四处绽放的烟火一样热闹而迷人。这些爆发事件到底是什么?这个问题从上世纪60年代起就吸引了天文学家的好奇心。

  近日,在国际著名期刊《自然》杂志上,一项由中国科学技术大学研究人员主导的研究,就介绍了一个极有可能是由双中子星并合产生的有趣的X射线爆发事件,并证实了其并合产物是几十年前科学家预言的磁星。

  存在于理论中的强磁场天体

  中子星是比太阳还要重八倍以上的恒星死亡后留下的致密星体,它们体积超小,密度却极高。由于宇宙中的恒星喜欢扎堆出现,两个中子星携手相伴的情况也时有发生。相互绕转的双中子星产生的引力场快速变化,就像是在不断地搅拌原本平静的时空,向外泛起涟漪。随着能量的消耗,双中子星会慢慢越靠越近,最终在剧烈碰撞、释放引力波暴之后合二为一,形成一个新的质量更大的致密天体——2017年8月17日激光干涉引力波天文台(LIGO)等就首次探测到了双中子星并合引力波事件的信号。如果这个新天体的质量超过中子星的质量上限,那么天体内部物质的压力将难以抗衡星体自身的引力,使得星体直接塌缩成为一个黑洞。但天文学家认为,在塌缩之前它很有可能会先形成一个更加有趣的天体——磁星。

  磁星,顾名思义,是一个具有超强磁场的中子星,其表面磁场比目前人类实验室能制造出来的最强磁场还强上亿倍。这样的磁星可以拥有超高的自转速度,每秒可自转几百上千周。由于高速自转,即使磁星的质量超过中子星质量上限,其离心力也能帮助它短期抗衡强大的引力而不会进一步塌缩成黑洞。

  除了留下中心的磁星,并合事件还会在周边留下大量的抛出物质。磁星具有强引力,快速吸入抛出物质,并在两极方向产生一个只持续几秒的超高速喷流。如果喷流方向恰好对着地球,就如同它向我们开了一炮,可以让我们在短时间内探测到大量的高能量伽马射线,这就是被称为短伽马暴的高能天体物理事件。

  早在上个世纪90年代初,科学家就提出了磁星的设想。之后它逐渐被学界广泛接受,并用于解释一些特殊类型的中子星。然而时至今日,科学家仍未在双中子星并合之后探测到它的“真身”。

  “乌云”遮蔽新天体辐射

  由于双中子星并合既能产生强烈的引力波暴,也能产生短伽马暴,所以天文学家非常希望在探测到引力波辐射以后,还能在对应的方向看到一个短伽马暴,从而进一步研究并合事件中的各种物理过程,找到磁星。然而,由于喷流“开炮”的方向是随机的,它恰好对准地球的可能性其实很小,所以即使引力波探测器已经探测到不少的引力波事件,想观测到一个对应的短伽马暴却很难。

  但天文学家找到了另一种可能性。在理论预言中,磁星有一个重要的特点:较差自转,即磁星的内部与外部的自转速度并不一致,靠近中心区域的自转速度更快。这就会不断扭曲穿过磁星内部的磁力线,使其最终浮出磁星表面并断裂,释放出大量能量从而减缓磁星自转,而还在磁星内部的磁力线则会重新连接并开始新一轮的扭转。这种磁重联过程能向四面八方发出大量的X射线波段至可见光波段的辐射。这样,即使没有看到短伽马暴,科学家仍然有可能看到一个强烈的爆发事件,只不过是在X射线、可见光等波段。

  既然这样的辐射是朝向四面八方发射的,那么是不是就应该很容易被观测到呢?答案也是否定的。此前,人们还没有发现过任何有类似特征的孤立X射线爆发。这是因为双中子星并合中产生的抛出物质会形成一个围绕着新天体的包层,挡住了来自中心的大部分辐射。看来,要想不通过短伽马暴而仅靠探测X射线爆发来发现双中子星并合事件、寻找磁星,还真是困难重重啊。

  不过,理论和数值模拟告诉我们,在中子星并合形成的磁星吸收周边物质的时候,剧烈的吸积过程除了形成喷流以外还会产生高速的弥漫星风,而磁星周边强大的磁场会成为这些星风的向导,将它们导向两极。于是这些高速星风在磁星形成之初就会快速地吹走磁星两极附近的遮挡物质,打开一个较大的通道,后续的X射线辐射就能借此冲破障碍。当我们的视线对着这个通道时,就有可能看到预言中的没有对应短伽马暴的孤立的X射线爆发,找到磁星。

  七百万秒曝光中搜寻那次闪光

  中科大研究团队4月11日在线发表于《自然》上的研究,正是报导了首例这样的事件。

  钱德拉空间望远镜是目前世界上最先进的X射线探测器之一。在1999年到2016年间,它陆续对天空中精心选出的一小片仅有约1/4满月大小的区域拍摄了102次,总计曝光7百万秒。中科大研究团队在研究该天区中天体的光变特性时,发现了2015年3月一个天体的X射线辐射从无到有,在短时间内增亮了上千倍。他们将这个爆发事件命名为CDF-S XT2(简称XT2)。而在随后的数据搜寻中,他们发现在XT2爆发前后,世界上的伽马射线探测器都没有记录到对应的伽马暴。

  通过分析XT2的X射线数据,研究人员发现,它在爆发后约2000秒内亮度基本不变,随后则快速变暗直至消失。而得益于钱德拉空间望远镜的超高角分辨率,研究人员将XT2定位于距离地球约66亿光年的一个星系的外围部分。这些特征都符合科学家对磁星的理论预期。研究人员估计了观测到类似XT2爆发事件的频率,发现与此前根据引力波探测结果可靠估算得到的双中子星并合事件的发生频率吻合得很好,从而再次证明了XT2源于双中子星并合的合理性。

  根据上述分析,研究人员相信它就是一直被苦苦追寻的大质量毫秒磁星X射线爆发。这让天文学家兴奋不已。长久以来只存在于理论预言中的现象,如今终于出现。XT2的发现证明了双中子星并合能够产生磁星的理论正确性,同时帮助天文学家更为深入地了解了中子星的内部物质状态。而且,这一发现有助于科学家在未来的引力波事件探测中,摆脱对伽马暴的依赖,通过X射线观测直接获知其来源天体的物理信息。

  略为遗憾的是,因为发现时间较晚,研究人员错过了在XT2爆发之后立刻调用其他望远镜对它进行后续观测的机会,所以无法得到爆发过程中更多的其他信息。但可以期待的是,在未来的X射线巡天望远镜的监测中,科学家将有机会看到更多的类似爆发事件。XT2作为宇宙深处磁星X射线辐射冲过层层云霭到达我们的曙光,将给未来的引力波探测、中子星研究带来新的希望。

  (作者:郑学琛、薛永泉,分别系荷兰莱顿大学博士生、中国科学技术大学天文系教授)




(责任编辑:侯茜)

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