中国科学家证实双中子星合并直接产物不仅是黑洞

 

遥远宇宙中神秘磁星的假想图（图像创作：王国燕、何聪）

 

 

XT2的X射线特征光变曲线（左上）与图像（下）及其相对寄主星系的位置（右上）

 

4月10日21时，天文学家公布了人类史上首张黑洞照片。该黑洞位于距离地球非常遥远的M87星系，其质量非常巨大，大约是太阳质量的35-65亿倍。然而,宇宙中还存在着大量恒星级的黑洞（数倍到几十倍太阳质量）。天文学界认为，这类恒星级的黑洞一般来源于大质量恒星演化到末期的剧烈塌缩或两个致密天体（如两个中子星）的并合过程。后者则伴随着短伽玛射线暴和引力波的暴发，是近年来多信使天文学研究的重点。

 

 双中子星并合后的直接产物是否仅是黑洞？一直以来尚无定论。

 

在近日《自然》杂志发表的一篇题为《双中子星并合形成的磁星所驱动的X射线暂现源》的文章中，南京大学天文与空间科学学院教授罗斌和副教授张彬彬共同参与了这一项发现，首次证实了双中子星并合可以形成磁星，并发现了该磁星所驱动的X射线短时标辐射（或称X射线暂现源）。由钱德拉空间X射线卫星观测到的暂现源称为“X射线暂现源”，其主要辐射波段为X射线。该X射线源持续时间大约为数小时，并呈现理论预期的平台形状并过渡到下降阶段的光变曲线。

 

产生黑洞的过程是天体物理研究的热点问题。此前，主流观点认为，   双中子星并合后的直接产物是黑洞。双中子星越靠越近，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。如果这个新天体的质量超过中子星的质量上限，天体内部物质的压力将难以抗衡星体自身的引力，使得星体迅速坍缩成为一个黑洞。

 

但也有学者对此提出质疑。早在2006年，南京大学教授戴子高等人曾提出另一种观点，关于双中子星并合后的直接产物除了黑洞，还有另外一种可能性，即两个中子星并合成一个质量更大的中子星，一般这类中子星会带有强大的磁场（是地球磁场的上亿倍甚至上千万亿倍）和较快的自转（周期为毫秒量级），通常被称为大质量毫秒磁星（简称磁星）。但该类磁星是否存在，已有的天文观测一直未曾证实。

 

在2017年的引力波伽玛暴事件中，虽然证实了两个中子星并合过程可以产生伽玛暴，但由于引力波信号偏弱，天文学家并未从引力波数据中确认并合产物究竟是黑洞还是磁星。

 

据介绍，如果两个中子星的并合产物是磁星，其所驱动的X射线辐射在空间分布是各向均匀的，若观测者视线方向与短伽玛射线暴喷流方向夹角较大，将预期看到一个没有对应的短伽玛射线暴、光变曲线具有特征平台的X射线暂现源。这类天体将是双子星并合产生磁星的有力证据。

 

然而，中子星距离地球非常遥远，要想观测到双中子星合并的壮丽景象，尤其是X射线爆发信号，必须借助灵敏的太空望远镜。

 

现今世界上最先进的X射线探测器之一的钱德拉空间望远镜，在1999年到2016年间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。

 

   随后，研究团队在分析该系列巡天观测的数据时，在其中一个完成于2015年3月的观测里发现了以前只存在理论猜想中的新型X射线信号，在国际上首次证实了双中子星并合直接产物可以是磁星。这一发现证实了双中子星并合直接产物可以是大质量毫秒磁星，排除了一批核物质模型，明确了一系列关于中子星物态方程与极高磁场强度等基本物理特质，进而深化了对中子星基本属性的认识。

 

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最初，研究团队发现了一个新型的X射线暂现源（称为CDF-S XT2，简称XT2），其X射线辐射仅持续了约7个小时，距离地球约66亿光年远。初步分析该源符合上述X射线暂现源的特征。

 

该源是否存在更高能的伽射线暴？张彬彬利用第一手的费米卫星、INTEGRAL卫星等观测到的数据对该源在伽波段的可能辐射开展了多范围、高精度的搜索，最终证实该源没有应的短伽玛射线暴对应体，并给出了严格的观测上限。这一结论对于理解该源的物理本质具有关键作用。

 

国际同行表示，这一发现表明，可以通过磁星的X射线辐射了解中子星的更多秘密。这意味着，来自66亿光年外的光辉，为未来的引力波探测和中子星研究照亮了新的方向。该论文第一兼通讯作者中国科技大学教授薛永泉说。

 

该项研究由包括南京大学在内的国内外多个单位和研究机构合作完成。（温才妃  齐琦）

 

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

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