冲出磁星的闪光 作者:、永泉(中国科学技术大学) 作者简介: ,中国科学技术大学天文学系硕士毕业生,现为荷兰莱顿天文台博士研究生;永泉,中国科学技术大学天文学系教授。 “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。尤其是在人们开始从在用X射线、伽玛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年代起就牢牢地抓住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合并产生的有趣的X射线爆发事件。 一、双中子星合并与磁星 中子星是比太阳还要重十来倍以上的恒星死亡后留下的体积超小而密度极高的致密星体。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会时有发生。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,泛起涟漪。由于不断消耗绕转的能量发出的引力波辐射不断消耗着绕转的能量随着能量的消耗,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合并引力波事件的信号。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,使得星体直接迅速坍缩成为一个黑洞。但天文学家认为,在坍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。由于磁星的快自转,即使它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阻止不会进一步坍缩成黑洞。 除了留下中心的磁星,合并事件还会在边留下大量的抛出物质。磁星具有的强引力,快速吸入抛出物质,并在两极方向产生一个只持续零点几秒的超、准直的喷流。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玛马射线,这就是被称为短伽玛暴的高能天体物理事件。 早在上个世纪90年代初,科学家就提出来了磁星的设想。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合并之后探测到它的“真身”。 二、“乌云”中磁星的X射线爆发 由于双中子星合并既能产生强烈的引力波暴,也能产生短伽玛暴,所以天文学家非常希望能够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玛暴,从而进一步研究合并事件中的各种物理过程。然而,由于喷流 的“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玛暴却很难。但天文学家找到了另一种可能性,即使没有短伽玛暴,我们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。 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要更快。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,即使没有看到短伽玛暴,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。事实上,在对不少短伽玛暴的后续观测中,人们确实看到了这样的X射线和光学余晖。 既然这样的辐射和喷流不一样,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的X射线爆发。这是因为双中子星合并中产生的抛出物质会形成一个围绕着新天体的包层,像是笼罩着新天体的层层乌云,挡住了来自中心的大部分辐射。看来,要想不通过短伽玛暴、而仅靠探测X射线爆发来发现双中子星合并事件,还真是困难重重啊。 不过,理论和数值模拟告诉我们,在中子星合并形成的磁星吸收边物质的时候,剧烈的吸积过程除了形成喷流以外还会产生的弥漫星风,而磁星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玛暴的孤立的X射线爆发。 三、守得“云”开见 中科大研究团队2019年4月11日发表于《自然》的该项这项研究,正是报导了首例这样的事件。 钱德拉空间望远镜是目前现今世界上最先进的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。来自中科大的研究团队在研究该天区中天体的光变特性时,发现了在2015年3月里一个天体的X射线辐射亮度从无到有,在短时间内增亮了上千倍,并将这个爆发事件命名为CDF-S XT2(简称XT2)。而在随后对其他的数据的搜寻中,他们发现,在XT2爆发前后,世界上的伽玛马射线探测器都没有记录到有对应的伽玛暴。 通过分析XT2的X射线数据,研究人员发现,它在爆发后约2000秒内的亮度基本不变,随后则快速变暗直至消失。理论上,在双中子星合并形成磁星后,磁重联过程会在一段时间内不断提取其自转能量,转化成电磁辐射,使得磁星短时间内维持一定的亮度。这样过了一段时间后,磁星因为自转能量不断减少而转动变慢,从而离心力变小而无法继续抗衡自身强大的引力,超过中子星质量上限的它因而最终坍缩成为一个黑洞,故而其亮度也就迅速变暗。XT2有着与理论预言高度一致的亮度变化,表明它极有可能源于双中子星合并后形成的磁星。 其次,得益于钱德拉空间望远镜的超高分辨率,研究人员得以精确定位XT2,发现它处于一个距离地球约66亿光年的星系的外围部分,这符合双中子星合并事件以及短伽玛暴的位置分布规律。由于中子星产生于大质量恒星演化后期的超新星爆炸,而超新星爆炸可能是不对称的,因而会在某个方向上给予中子星一个强大的反冲力,使得它向星系外围逃逸。而在双中子星开始逃亡生涯直至最后合并的漫长过程里,它们极有可能已经从星系内部逃到外围。因此,XT2处于星系外围的事实大大增强了它源于双中子星合并的可能性。 最后,根据搜索的天区面积以及钱德拉空间望远镜的探测灵敏度,研究人员得以估计出观测到类似XT2爆发事件的频率,发现其与此前根据引力波探测结果可靠估算得到的双中子星合并事件的发生频率吻合得很好,从而再次证明了XT2源于双中子星合并的合理性。 四、发现意义与未来展望 根据上述分析以及XT2没有对应伽玛暴的事实,研究人员相信这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合并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,确认了即使没有看到伽玛暴也能看到磁星的X射线辐射后,在未来的引力波事件探测中,我们科学家将可以摆脱对伽玛暴的依赖,通过X射线观测直接获知其来源天体的物理信息。 略有为遗憾的一点是,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,所以我们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,我们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。