合并的中子星，如圖所示，當(dāng)它們聚集在一起并坍縮成黑洞時，會產(chǎn)生一束伽馬射線。美國宇航局的康普頓任務(wù)對兩次爆炸的觀察表明，在它們最終坍塌之前，這些物體短暫地形成了一顆超大的中子星。圖源:美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心/CI實驗室

　　天文學(xué)家研究了被稱為短伽馬射線暴(grb)的強(qiáng)大爆炸的檔案觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種光線模式，表明一顆超重中子星在坍縮成黑洞前不久短暫存在過。這個稍縱即逝的大質(zhì)量物體可能是由兩顆中子星碰撞形成的。

　　“我們在NASA的尼爾·格雷斯斯威夫特天文臺、費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡和康普頓伽馬射線天文臺探測到的700個短grb中尋找這些信號，”馬里蘭大學(xué)帕克學(xué)院(UMCP)和NASA位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心的研究人員塞西莉亞·基倫蒂解釋說，她在西雅圖舉行的美國天文學(xué)會第251次會議上介紹了這一發(fā)現(xiàn)。“我們在康普頓在20世紀(jì)90年代初觀測到的兩次爆發(fā)中發(fā)現(xiàn)了這些伽馬射線模式。”

　　由Chirenti領(lǐng)導(dǎo)的一篇描述這一結(jié)果的論文于1月9日星期一發(fā)表在科學(xué)雜志《自然》上。

　　這種模擬跟蹤了兩顆繞軌道運行的中子星碰撞時引力波和密度的變化。深紫色表示密度最低，而黃白色表示密度最高。一個可聽的音調(diào)和一個可視的頻率刻度(左邊)跟蹤中子星接近時引力波頻率的穩(wěn)步上升。當(dāng)物體在42秒合并時，引力波突然跳到數(shù)千赫茲的頻率，并在兩個主色調(diào)之間反彈(準(zhǔn)周期振蕩，或QPOs)。這些信號在這種模擬中的存在導(dǎo)致了在短伽馬射線爆發(fā)發(fā)出的光中搜索和發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。圖源:NASA戈達(dá)德太空飛行中心和STAG研究中心/Peter Hammond

　　當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星的核心耗盡燃料并坍塌時，中子星就形成了。這會產(chǎn)生沖擊波，在超新星爆炸中吹走恒星的其余部分。中子星的質(zhì)量通常比我們的太陽還要大，形成一個城市大小的球，但超過一定的質(zhì)量，它們就必須坍縮成黑洞。

　　康普頓的數(shù)據(jù)和計算機(jī)模擬都顯示，巨型中子星比已知的最大質(zhì)量中子星J0740+6620多20%，J0740+6620的質(zhì)量接近太陽質(zhì)量的2.1倍。超重中子星的大小幾乎是普通中子星的兩倍，長度大約是曼哈頓島的兩倍。

　　1991年4月，宇航員在亞特蘭蒂斯號航天飛機(jī)上部署康普頓伽馬射線天文臺時拍攝了圖像。圖片來源:NASA/STS-37機(jī)組人員

　　巨型中子星每分鐘旋轉(zhuǎn)近78000次，幾乎是J1748-2446ad速度的兩倍，這是有記錄以來最快的脈沖星。這種快速的旋轉(zhuǎn)短暫地支持了這些物體，使它們不會進(jìn)一步坍縮，使它們只存在了零點幾秒，之后它們會以眨眼的速度形成一個黑洞。

　　該論文的合著者、UMCP的天文學(xué)教授科爾·米勒(Cole Miller)說:“我們知道，當(dāng)繞軌道運行的中子星碰撞在一起時，短grb就形成了，我們知道它們最終會坍縮成黑洞，但事件的精確順序還不清楚。”“在某種程度上，新生的黑洞會爆發(fā)出一股快速移動的粒子，釋放出強(qiáng)烈的伽馬射線，這是能量最高的光形式，我們想更多地了解它是如何發(fā)展的。”

　　在這個動畫中，一顆中子星(藍(lán)色球體)在一個彩色氣體盤的中心旋轉(zhuǎn)，其中一些氣體隨著磁場(藍(lán)色線)流動(藍(lán)白色弧線)到物體表面。對這些系統(tǒng)中x射線中所見的準(zhǔn)周期振蕩的一種解釋是，在圓盤內(nèi)緣附近形成了一個熱點(白色橢圓形)，隨著其性質(zhì)的變化而膨脹和收縮。由于這種不規(guī)則的軌道，熱點發(fā)射在一個頻率范圍內(nèi)變化。圖片來源:美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心概念圖像實驗室

　　短grb通常發(fā)光不到兩秒，但釋放的能量與銀河系中所有恒星一年釋放的能量相當(dāng)。它們可以在10億光年之外被探測到。合并的中子星也會產(chǎn)生引力波，這種時空漣漪可以被越來越多的地面天文臺探測到。

　　對這些合并的計算機(jī)模擬顯示，當(dāng)中子星合并時，引力波的頻率會突然上升，超過1000赫茲。這些信號太快太微弱，現(xiàn)有的引力波天文臺無法探測到。但Chirenti和她的團(tuán)隊推斷，類似的信號可能出現(xiàn)在短grb的伽瑪射線發(fā)射中。

　　天文學(xué)家稱這些信號為準(zhǔn)周期振蕩，簡稱QPOs。與音叉的穩(wěn)定鳴響不同，qpo可以由幾個隨時間變化或消散的閉合頻率組成。伽馬射線和引力波qpo都起源于兩顆中子星合并時旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的大漩渦。

　　雖然在斯威夫特暴和費米暴中沒有出現(xiàn)伽瑪射線qpo，但康普頓爆發(fā)和瞬態(tài)源實驗(BATSE)在1991年7月11日和1993年11月1日記錄的兩個短伽瑪射線grb符合要求。

　　BATSE儀器更大的面積使它在發(fā)現(xiàn)這些微弱的模式方面占了上風(fēng)——揭示超大中子星存在的告密性閃爍。該團(tuán)隊認(rèn)為，這些信號偶然出現(xiàn)的綜合概率小于300萬分之一。

　　“這些結(jié)果非常重要，因為它們?yōu)槲磥碛靡Σㄌ煳呐_測量超大質(zhì)量中子星奠定了基礎(chǔ)，”華盛頓喬治華盛頓大學(xué)物理系主任Chryssa Kouveliotou說，他沒有參與這項工作。

　　到21世紀(jì)30年代，引力波探測器將對千赫茲頻率敏感，為超大型中子星的短暫壽命提供新的見解。在那之前，靈敏的伽馬射線觀測和計算機(jī)模擬仍然是探索它們的唯一可用工具。

　　參考文獻(xiàn):“短伽馬射線暴中的千赫茲準(zhǔn)周期振蕩”，作者:Cecilia Chirenti, Simone Dichiara, Amy Lien, M. Coleman Miller和Robert Preece, 2023年1月9日，《自然》。DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 05497 - 0

　　康普頓的BATSE儀器是在阿拉巴馬州亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心開發(fā)的，它提供了第一個令人信服的證據(jù)，證明伽馬射線暴發(fā)生在銀河系之外的很遠(yuǎn)的地方。在運行了近9年之后，康普頓伽馬射線天文臺于2000年6月4日脫離軌道，并在進(jìn)入地球大氣層時被摧毀。

　　戈達(dá)德負(fù)責(zé)斯威夫特和費米兩項任務(wù)。

　　資訊來源：http://www.cthnkj.cn/news/show-103334.html