科学家从中子星合并中发现致密物质喷射流

 

 

■本报见习记者 辛雨 程唯珈

在天文学里，GW170817是划时代的里程碑事件。

2017年8月17日，在距离地球1.3亿光年的星系中，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）和欧洲“处女座”（VIRGO）引力波探测器共同探测到了两颗超密度中子星合并引起的微弱时空涟漪。

时隔一年半，2月22日凌晨，意大利国家核物理研究院联合中科院紫金山天文台、中科院新疆天文台等研究机构在《科学》发表研究称，他们利用全球射电望远镜网络，探测到双中子星合并事件GW170817产生了一种致密物质喷射流，这是一股以接近光速膨胀的物质射流。

中子星合并震惊世界

在浩瀚的宇宙中，有着无数的天体。其中，中子星是由太阳质量8～30倍的恒星演化而来。

当恒星的演化进入末期，由于引力压缩，恒星会发生超新星爆炸，形成中子星。因此，一般来说中子星的体积非常小，直径约为2000米。但中子星的密度却非常大，每立方厘米重1亿吨以上，是目前已观测的除黑洞外密度最大的星体。此外，中子星的温度极高、压强和磁场强大，其所具有的能量非常惊人。

一个多世纪以前，爱因斯坦曾预测引力波的存在，而GW170817是科学家第五次直接检测到引力波，也是第一次侦测到发射引力波的中子星合并事件，并确认中子星合并确实会发生。

论文共同第一/通讯作者、意大利国家核物理研究院教授Giancarlo Ghirlanda在接受《中国科学报》采访时表示：“GW170817是首次被侦测到发射引力波与电磁辐射的天文事件。但事件发生200天后，我们仍无法判断这次合并是产生了一种相对射流，还是更像一种球形爆炸。”

神秘的“余辉”

有科学家认为，中子星合并产生强烈爆炸，将一层物质抛向了太空。在这个壳层结构中，合并的中子星形成了一个黑洞，并开始吞噬大量的气体和灰尘。这些物质在黑洞周围形成一个快速旋转的盘状结构，不久之后，这种黑洞盘状结构的两极区域开始喷发物质流。

目前，尚不清楚喷射流是否会冲破最初爆炸形成的残骸壳，但2018年《自然》发表的一篇文章称，研究人员的观测结果表明，在探测到GW170817事件之后的第75天和第230天，的确发生了这种现象。

就在GW170817事件之后的第207.4天，Ghirlanda等人探测到了一种致密物质喷射流。

最初几天的数据表明，它是由千倍新星（kilonova）产生的，千倍新星是在双中子星合并期间和合并后，发生的一种由放射性衰变产生的喷放。“在探测到此喷放后的几周内，我们发现X射线和无线电辐射不断增加，且持续了数月。”Ghirlanda说。

这些长时间的喷放被解释为中子星合并后的“余辉”，并且暗示了膨胀的喷射物质与周围星际气体的相互作用。然而，研究人员表示，由于之前的数据无法确定发射源的大小，这种“余辉”发射是如何产生的并不可知。

扩张速度接近光速

研究人员推测“余辉”发射可能是由狭窄的相对喷射流或各向同性流产生。

Ghirlanda和同事们结合了分布在五大洲的32台射电望远镜阵列，观察了双中子星合并后第207.4天的射电余辉。他们采用甚长基线干涉测量技术（VLBI），利用地球自转，将32台射电望远镜一天的观测结果结合起来，来限制“余辉”发射源的角度大小。

结果表明，射电源的大小和位置与先前提出的设想模型不符。观测数据显示，GW170817产生了一种结构喷射流，其扩张速度几乎和光速一样快，能够穿透合并后的周围喷射物，进入更远的星际空间。

据论文共同第一/通讯作者、意大利国家核物理研究院教授Om Sharan Salafia介绍，无线电波成像是观测发射源细节的有效方法。这张全球VLBI观测的图像显示，中子星合并后产生的发射源非常致密。“对图像进行研究发现，我们探测到的辐射来自喷射流在星际介质中膨胀所产生的冲击波。”Salafia说。

研究人员表示，下一步他们会对即将探测到的中子星合并进行类似的观测。Salafia告诉《中国科学报》：“下一次观测将于4月份开始，我们可能会再次发现令人兴奋的新东西。”

相关论文信息：DOI:10.1126/science.aau8815 (2019)

《中国科学报》 (2019-02-22 第1版 要闻)

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