真宇宙“喷泉”现身:中子星碰撞又出新番! 中子星,黑洞,,千新星,引力波,伽玛射线暴

来源:我是科学家iScientist

今天,《科学》(Science)发表的一篇论文首次证明:1亿多光年外的一对中子星碰撞后产生了巨大的宇宙“喷泉”——接近光速的喷流。

说起来,这对中子星可算得上是有头有脸的“明星”了!

还记得2017年天文界爆出后迅速席卷全球各大媒体的那个大新闻(听说整个天文界都嗨了!难道真的是因为这个?;刚刚见分晓!天文学家们憋到快炸的大新闻,到底说了啥?)吗?没错,它们就是那次新闻的主角。

2017年8月17日,地球上的激光干涉引力波探测器(LIGO)探测到一个引力波。2秒后,伽玛射线卫星Fermi探测到一个持续时间为2秒的伽玛射线暴。

经过研究,科学家们确定这个引力波和这个伽玛射线暴来自一对碰撞的中子星。这是人类首次同时观测到来自同一天体物理系统发出的引力波与电磁波,这对中子星由此一撞成名,而它们的表演,才刚刚开始。

双星相拥,精彩不断

中子星里面几乎全部是紧密挤在一起的中子,半径只有大约10千米,但它们的质量却比我们的太阳还要大,是地球质量的几十万倍那么大,因此是高度压缩的星体。这么致密的天体大部分是大质量恒星死亡时的猛烈收缩压出来的。试想,让两颗这样的星体撞在一起,会产生怎样的“火花”呢?

天文学家对此也很好奇,一直期望能够直接探测到两颗中子星碰撞产生的种种现象并在理论上进行了大量的研究。这个愿望终于在2017年实现了——那对紧紧相拥的中子星着实“表现不凡”,给科学家们带来一个又一个惊喜。

科学家在后续的观测发现了中子星碎片发出的紫外线、可见光与红外线——这就是天文学家寻觅二十年的千新星(2013年哈勃太空望远镜发现了一个疑似的千新星,但证据不是非常强,因此只是候选体)。

此外,X射线望远镜和射电望远镜分别发现了这次爆发发出的X射线辐射与射电辐射,它们分别是伽玛射线暴的“X射线余辉”与“射电余辉”。

天文学家们普遍认为:中子星碰撞抛出的碎片产生了千新星,其旋转轴方向上喷发的喷流制造出伽玛射线暴与余辉。

这个喷流,就像宇宙中的巨型“喷泉”。

真宇宙“喷泉”现身:中子星碰撞又出新番!-第1张图片-天网之家

中子星碰撞后的喷流堪比宇宙“喷泉”。图片来源:Wikimedia Commons|Ammar shaker

虽然有很多进展和惊喜,但还是有问题没解决。其中一个问题就是:制造出伽玛射线暴与余辉的喷流到底是什么样的形态?此前人们一直不甚了然,而在今天(北京时间2019年2月22日),一项发表在《科学》上的新研究解开了这个谜团,为中子星碰撞事件再添新番。

中子星碰撞,产生了哪些“宇宙特效”?

两颗中子星在环绕共同中心旋转,缓慢接近,最终发生碰撞。碰撞前后的很短时间内,有一些中子星碎片会被抛洒出去;剩余的部分要么合并为一个黑洞,要么形成更大质量的中子星。

中子星碰撞的过程与碰撞前后会产生蔚为壮观的“宇宙特效”——一系列绚丽多彩的天文现象。我们就以2017年观测到的那对中子星碰撞事件为例,来强势围观一下:

首先登场的是引力波。在这对中子星彼此缠绵环绕的过程中,会源源不断辐射出引力波,但在绝大部分时间里,这些引力波都比较“低调”(频率低),无法被当前的引力波探测器探测到。直到碰撞瞬间和前后很短时间内发出的引力波,才被人们成功探测到。这次探测到的引力波就是这个时间段内发出的

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两个中子星互相环绕并发出引力波的艺术想象图。图片来源:P。 Marenfeld & NOAO/AURA/NSF

随后产生的是千新星(电磁波,可见光为主)。碰撞前被抛出的碎片中,有一部分会不断向外扩散,里面的大量中子衰变为质子,质子又与剩余的中子一起合成重元素,如金、银、铀、钚,等等。这些重元素中的放射性元素发生放射性衰变、裂变等过程,释放出大量能量,将这些碎片加热到上万度,辐射出紫外线、可见光与红外线。这类爆发通常只需要一天左右就可以达到最亮,亮度比绝大部分超新星暗,同时是典型新星亮度的一千倍左右,因此被称为“千新星”。

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红色箭头所指,就是第一个被确认的千新星。图片来源1M2H / UC Santa Cruz和Carnegie Observatories / Ryan Foley

相伴而来是伽玛射线暴(电磁波,伽玛射线为主)。碰撞前抛出的另一部分碎片会重新向中心回落,堆积成一个盘状物,即“吸积盘”。吸积盘与中心的黑洞或者大质量中子星构成一个系统。吸积盘的物质向内回落,黑洞或者中子星旋转轴方向上喷发出喷流,喷流内的电子被加速,辐射出大量伽玛射线,形成伽玛射线暴。

在这之后,还有伽玛射线暴的多波段余辉(电磁波,X射线和射电为主)。伽玛射线暴的喷流在向外喷发时,会冲击周围空间中的稀薄介质,将介质中的电子加速,高速电子释放出伽玛射线、X射线、可见光与射电辐射,它们联合起来组成了伽玛射线暴的多波段余辉。如果余辉中有可见光成分,就会与千新星中的可见光混合起来。这次被观测到的只有X射线余辉与射电余辉。

(注:由于观测条件的限制以及千新星需要至少几小时才能明亮到足以被望远镜探测到,千新星在伽玛射线暴被探测到之后十个半小时才被探测到。)

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艺术想象图:中子星碰撞之后,一些碎片喷发出去后不断向外扩散,包围住这个系统,形成千新星;一些碎片回落,形成吸积盘,吸积盘中的物质落向中心的黑洞或超大质量中子星,并从黑洞或者中子星旋转轴方向喷发出喷流,形成伽玛射线暴;喷流与星际空间中的物质相互作用,产生多波段余辉。:图片来源: O.S。 Salafia, G。 Ghirlanda, NASA/CXC/GSFC/B。 Williams et al。

宇宙“喷泉”也要验明正身?

不过,这样的喷流可不仅限于一种情况。中子星碰撞后可能形成真喷流、喷流茧以及“呛住的喷流”。

所谓的真喷流,就是成功地在空间中传播出去的喷流,速度接近光速;喷流茧就是喷流在向外喷发时与周围物质相互作用后形成蚕茧形状的一种结构,比真正的喷流宽很多;而呛住的喷流,指的是喷流没有成功冲出去,而是在中途被物质阻挡,就像人吃东西时被东西呛住,东西进不了肚子。

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不同类型喷流的示意图。绘制者:Yuki、王善钦

那么,2017年的双中子星碰撞事件产生的喷流属于哪种情况呢?这次刚刚发表的研究正是回答了这一问题。

为了确定这次产生伽玛射线暴与余辉的喷流的具体结构,由意大利科学家Ghirlanda领衔的小组利用分布于全球五大洲的32个射电望远镜构成的阵列,对事件爆发后207.4天的射电余辉进行了观测。必须强调的是,这里说的余辉,不是整个事件的余辉,而只是其中的伽玛射线暴的余辉。

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分布于世界上五大洲的32个射电望远镜参与了观测。图片来源:Paul Boven

根据得到的数据,Ghirlanda等人测量出喷流的大小。他们的研究表明:它不是喷流茧,也不是呛住的喷流,而是一个真正的喷流,其速度极高,接近光速。Ghirlanda认为,双中子星碰撞事件中,大约有10%会形成这样的宇宙“喷泉”。

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宇宙“喷泉”(喷流)的艺术想象图。图片来源:Science|Beabudai Design

中子星碰撞产生的宇宙“喷泉”,在多国学者的共同合作研究下终于被验明正身。精确地说,这是一个“结构化”的真喷流,而不是最简单的真喷流。

值得指出的是,这32个射电望远镜中,有3个位于中国境内:昆明、上海、乌鲁木齐。这三个望远镜分别是中国科学院的云南天文台、上海天文台与新疆天文台的。因此,这次篇论文中有来自中国学者的贡献。

这个研究成果首次确定了双中子星碰撞形成的喷流的具体形态,是这个领域的一个重要进展,同时也再一次体现出国际合作的重要性。

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