2023-01-13 05:46

NASA对强大宇宙爆炸的观测揭示了超重中子星

合并的中子星,如图所示,当它们聚集在一起并坍缩成黑洞时,会产生一束伽马射线。美国宇航局的康普顿任务对两次爆炸的观察表明,在它们最终坍塌之前,这些物体短暂地形成了一颗超大的中子星。图源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室

天文学家研究了被称为短伽马射线暴(grb)的强大爆炸的档案观测数据,发现了一种光线模式,表明一颗超重中子星在坍缩成黑洞前不久短暂存在过。这个稍纵即逝的大质量物体可能是由两颗中子星碰撞形成的。

“我们在NASA的尼尔·格雷斯斯威夫特天文台、费米伽马射线空间望远镜和康普顿伽马射线天文台探测到的700个短grb中寻找这些信号,”马里兰大学帕克学院(UMCP)和NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的研究人员塞西莉亚·基伦蒂解释说,她在西雅图举行的美国天文学会第251次会议上介绍了这一发现。“我们在康普顿在20世纪90年代初观测到的两次爆发中发现了这些伽马射线模式。”

由Chirenti领导的一篇描述这一结果的论文于1月9日星期一发表在科学杂志《自然》上。

这种模拟跟踪了两颗绕轨道运行的中子星碰撞时引力波和密度的变化。深紫色表示密度最低,而黄白色表示密度最高。一个可听的音调和一个可视的频率刻度(左边)跟踪中子星接近时引力波频率的稳步上升。当物体在42秒合并时,引力波突然跳到数千赫兹的频率,并在两个主色调之间反弹(准周期振荡,或QPOs)。这些信号在这种模拟中的存在导致了在短伽马射线爆发发出的光中搜索和发现类似的现象。图源:NASA戈达德太空飞行中心和STAG研究中心/Peter Hammond

当一颗大质量恒星的核心耗尽燃料并坍塌时,中子星就形成了。这会产生冲击波,在超新星爆炸中吹走恒星的其余部分。中子星的质量通常比我们的太阳还要大,形成一个城市大小的球,但超过一定的质量,它们就必须坍缩成黑洞。

康普顿的数据和计算机模拟都显示,巨型中子星比已知的最大质量中子星J0740+6620多20%,J0740+6620的质量接近太阳质量的2.1倍。超重中子星的大小几乎是普通中子星的两倍,长度大约是曼哈顿岛的两倍。

1991年4月,宇航员在亚特兰蒂斯号航天飞机上部署康普顿伽马射线天文台时拍摄了图像。图片来源:NASA/STS-37机组人员

巨型中子星每分钟旋转近78000次,几乎是J1748-2446ad速度的两倍,这是有记录以来最快的脉冲星。这种快速的旋转短暂地支持了这些物体,使它们不会进一步坍缩,使它们只存在了零点几秒,之后它们会以眨眼的速度形成一个黑洞。

该论文的合著者、UMCP的天文学教授科尔·米勒(Cole Miller)说:“我们知道,当绕轨道运行的中子星碰撞在一起时,短grb就形成了,我们知道它们最终会坍缩成黑洞,但事件的精确顺序还不清楚。”“在某种程度上,新生的黑洞会爆发出一股快速移动的粒子,释放出强烈的伽马射线,这是能量最高的光形式,我们想更多地了解它是如何发展的。”

在这个动画中,一颗中子星(蓝色球体)在一个彩色气体盘的中心旋转,其中一些气体随着磁场(蓝色线)流动(蓝白色弧线)到物体表面。对这些系统中x射线中所见的准周期振荡的一种解释是,在圆盘内缘附近形成了一个热点(白色椭圆形),随着其性质的变化而膨胀和收缩。由于这种不规则的轨道,热点发射在一个频率范围内变化。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

短grb通常发光不到两秒,但释放的能量与银河系中所有恒星一年释放的能量相当。它们可以在10亿光年之外被探测到。合并的中子星也会产生引力波,这种时空涟漪可以被越来越多的地面天文台探测到。

对这些合并的计算机模拟显示,当中子星合并时,引力波的频率会突然上升,超过1000赫兹。这些信号太快太微弱,现有的引力波天文台无法探测到。但Chirenti和她的团队推断,类似的信号可能出现在短grb的伽玛射线发射中。

天文学家称这些信号为准周期振荡,简称QPOs。与音叉的稳定鸣响不同,qpo可以由几个随时间变化或消散的闭合频率组成。伽马射线和引力波qpo都起源于两颗中子星合并时旋转物质的大漩涡。

虽然在斯威夫特暴和费米暴中没有出现伽玛射线qpo,但康普顿爆发和瞬态源实验(BATSE)在1991年7月11日和1993年11月1日记录的两个短伽玛射线grb符合要求。

BATSE仪器更大的面积使它在发现这些微弱的模式方面占了上风——揭示超大中子星存在的告密性闪烁。该团队认为,这些信号偶然出现的综合概率小于300万分之一。

“这些结果非常重要,因为它们为未来用引力波天文台测量超大质量中子星奠定了基础,”华盛顿乔治华盛顿大学物理系主任Chryssa Kouveliotou说,他没有参与这项工作。

到21世纪30年代,引力波探测器将对千赫兹频率敏感,为超大型中子星的短暂寿命提供新的见解。在那之前,灵敏的伽马射线观测和计算机模拟仍然是探索它们的唯一可用工具。

参考文献:“短伽马射线暴中的千赫兹准周期振荡”,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

康普顿的BATSE仪器是在阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心开发的,它提供了第一个令人信服的证据,证明伽马射线暴发生在银河系之外的很远的地方。在运行了近9年之后,康普顿伽马射线天文台于2000年6月4日脱离轨道,并在进入地球大气层时被摧毁。

戈达德负责斯威夫特和费米两项任务。