真宇宙“喷泉”现身:中子星碰撞又出新番!

更新日期:2022年06月15日

       来源:我是科学家说起来, 这对中子星也算是一颗有头有脸的星了!还记得2017年天文学界爆发后迅速席卷全球各大媒体的大新闻(听说整个天文学界都嗨了!真的是因为这个吗?背上即将爆发的大新闻, 他们说了什么?)?是的, 他们是那条新闻的主角。 2017 年 8 月 17 日, 地球的激光干涉引力波探测器 (LIGO) 探测到了引力波。两秒后, 伽马射线卫星费米探测到持续两秒的伽马射线爆发。经过研究, 科学家确定引力波和伽马射线爆发来自一对相撞的中子星。这是人类对来自同一物理系统的引力波和电磁波的同时观测。这对中子星相撞成名,

他们的表演才刚刚开始。几乎所有的中子星都紧紧地挤在一起, 半径只有10公里左右, 但它们的质量却比我们的太阳还大, 是地球质量的几十万倍, 因此是一颗高度压缩的恒星。如此致密的物体大多在大质量恒星死亡时被剧烈收缩压缩。试想, 这样的两颗星相撞会产生怎样的火花?天文学家对此我也很好奇, 一直期待能直接探测到两颗中子星碰撞引起的各种现象, 并做了大量的理论研究。这个愿望终于在2017年实现了。这对相互拥抱的中子星确实做得非常出色, 给科学家们带来了一个又一个惊喜。科学家们在随后的观测中发现了中子星碎片发出的紫外线、可见光和红外线。这是天文学家寻找了20年的千新星(哈勃太空望远镜在2013年发现了疑似千新星, 但证据不是很强, 所以只是一个候选)。此外, X射线和射电望远镜分别发现了这次暴发的X射线辐射和射电辐射, 分别是伽马暴的X射线余辉和射电余辉。天文学家普遍认为, 中子星碰撞喷出的碎片会产生千新星, 而沿其旋转轴方向喷出的喷流会产生伽马射线爆发和余辉。这架喷气机就像宇宙中的一个巨大的喷泉。
       碰撞中子星产生的喷流可与宇宙喷泉相媲美。图片来源:WikimediaCommons|Ammarshaker 虽然有很多进步和惊喜,

但仍有问题没有解决。其中一个问题是:产生伽马射线爆发和余辉的喷射流的形状是什么?此前人们一直不清楚, 但今天(北京时间2019年2月22日), 一篇研究发表在《科学新研究》中,

解开了谜团, 为中子星碰撞事件增添了另一个维度。中子星碰撞,

哪些宇宙被创造出来了?两颗中子星在围绕一个共同的中心旋转, 慢慢接近, 最终碰撞。在碰撞前后的短时间内, 一些中子星碎片被抛出;其余的要么合并成一个黑洞, 要么形成一个更大质量的中子星。
       中子星碰撞过程和碰撞前后都会在宇宙中产生一系列壮丽多彩的天文现象。我们以2017年观测到的一对中子星的碰撞为例, 来个强烈的旁观者:引力波是最先出现的。由于这对中子星相互缠绵, 引力波会不断地发射出来, 但大多数时候, 这些引力波都比较低调(低频), 无法被目前的引力波探测器探测到。直到碰撞瞬间和碰撞前后很短的时间内发射出的引力波, 才成功探测到人。这次探测到的引力波就是在这个时间段内发射出来的。艺术家对两颗中子星相互环绕并发射引力波的印象。图片来源:P. Marenfeld NOAO/AURA/NSF 然后产生的是千新星(电磁波, 主要是可见光)。碰撞前抛出的一些碎片会继续向外扩散, 里面的大量中子会衰变为质子, 质子会与剩余的中子结合合成重元素, 如金、银、铀、钚, 等等。这些重元素中的放射性元素经过放射性衰变和裂变等过程, 释放出大量能量, 将这些碎片加热到数万度, 并放射出紫外线、可见光和红外线。这样的爆发通常只需要左右达到最亮, 比大多数更亮亚超新星是暗淡的, 同时比典型的新星亮大约一千倍, 所以它们被称为千新星。红色箭头指向第一个确认的千新星。图片来源 1M2H/UCSantaCruz 和 CarnegieObservatories/RyanFoley 伴有伽马射线爆发(电磁波, 主要是伽马射线)。碰撞前抛出的另一部分碎片将向中心落回, 积聚成一个圆盘, 即吸积盘。吸积盘形成一个带有中心黑洞或大质量中子星的系统。吸积盘中的物质向内回落, 喷流沿黑洞或中子星的旋转轴方向喷出。射流中的电子被加速, 大量的伽马射线被发射出来, 形成伽马射线爆发。在这之后, 就是伽马暴的多波段余辉(主要是电磁波、X射线和无线电)。
       当伽马射线爆发的射流向外爆发时, 会撞击周围空间的薄介质, 加速介质中的电子, 高速电子释放出伽马射线、X射线、可见光和无线电辐射, 它们结合形成伽马射线爆发的多波段余辉。如果余辉中有可见光成分, 它将与千新星中的可见光混合。这次只观测到X射线余辉和射电余辉。 (注:由于观测限制以及千新星的亮度至少需要几个小时才能被望远镜探测到, 因此直到探测到伽马射线爆发后十个半小时才能探测到千新星。 ) 艺术家印象:中子星碰撞后, 一些碎片不断喷发向外扩散, 环绕系统, 形成千新星;部分碎片回落形成吸积盘, 吸积盘内的物质落入中心黑洞或超大质量中子星, 从黑洞或中子星的自转轴喷出射流, 形成伽马射线暴;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。威廉姆斯等人。宇宙喷泉也需要验证?然而, 这样的喷气机不限于一种情况。
       真正的喷流、喷流茧和阻塞喷流可能在中子星碰撞后形成。所谓真射流, 就是以接近光速的速度在太空中成功展开的射流;射流茧是射流向外喷发时与周围物质相互作用形成茧状结构的结构, 比真正的射流效率更高。喷射流要宽得多;喷流哽噎是指喷流没有成功冲出, 而是被中间的物质堵住了, 就像人吃饭被东西呛到了, 东西进不了胃一样。那么, 2017年双中子星碰撞事件产生的喷流是什么情况呢?这项刚刚发表的研究回答了这个问题。为了确定产生伽马射线爆发和余辉的喷流的具体结构, 由意大利科学家 Ghirlanda 领导的一个团队使用分布在五大洲的 32 台射电望远镜阵列, 在事件发生 207.4 天后分析了射电余辉。观测到的。必须强调的是, 这里所说的余辉并不是整个事件的余辉, 而只是其中的伽马射线暴的余辉。根据获得的数据, Ghirlanda 等人。测量了喷气机的大小。他们的研究表明, 它不是喷流茧, 也不是窒息喷流, 而是真正的喷流, 速度极高, 接近光速。 Ghirlanda 认为, 大约 10% 的双中子星碰撞形成了这样的宇宙喷泉。中子星碰撞产生的宇宙喷泉, 在多国学者的联合研究下, 终于被确定。说, 这是一个结构化的真喷气机, 而不是最简单的真喷气机。值得指出的是, 在这32台射电望远镜中, 有3台位于中国:昆明、上海和乌鲁木齐。三台望远镜分别是云南天文台、上海天文台和中国科学院新疆天文台。因此, 本文有中国学者的贡献。这一研究成果确定了双中子星碰撞形成喷流的具体形状,

是该领域的重要进展, 也再次体现了国际合作的重要性。
       

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