合并中子星:用 X 射线讲述的千新星正在展开的故事

用 X 射线讲述的千新星正在展开的故事

天文学家可能已经从称为千新星的强大爆炸中检测到“音爆”。这一事件 - 称为 GW170817 - 是两颗中子星合并的结果,是第一个从地球上检测到引力波和电磁辐射或光的物体。美国宇航局钱德拉 X 射线天文台对这种光的持续探测——由宾夕法尼亚州立大学研究人员在内的合作伙伴进行分析——揭示了这种宇宙现象。

宾夕法尼亚州立大学物理学、天文学和天体物理学助理教授、合作成员大卫·拉迪斯说:“钱德拉在首次探测到这次中子星合并近四年后,继续探测到来自这次中子星合并的电磁辐射。” “这些观察提供了有关初始碰撞后发生的情况的重要信息,例如两个合并的物体何时以及如何形成黑洞。”

当两颗中子星——宇宙中一些最致密的物体——合并时,就会发生千新星。2017 年 8 月 17 日,天文学家利用美国的高级激光干涉引力波天文台 (LIGO) 和意大利的处女座探测器发现了这种合并产生的引力波,同时伴随着伽马射线的爆发。从那时起,天文学家一直在世界各地和太空中使用望远镜,包括美国宇航局的钱德拉 X 射线天文台,在包括 X 射线在内的电磁波谱中研究 GW170817。

“在研究中子星合并的后果方面,我们已经进入了未知领域,”领导 GW170817 新研究的西北大学的 Aprajita Hajela 说。

天文学家认为,中子星合并后,碎片会在合并后碎片中形成的铂和金等放射性元素的衰变产生可见光和红外光谱中的光。这种光爆发被称为千新星。在 GW170817 的情况下,在引力波发生数小时后检测到可见光和红外发射。

中子星合并在 X 射线中看起来非常不同。在宣布最初的 LIGO 探测后,科学家们要求钱德拉迅速从当前目标转向 GW170817。起初,他们没有从源头看到任何 X 射线,但在 2017 年 8 月 26 日,钱德拉再次查看并发现了 X 射线的点源。

这种没有检测到 X 射线很快就被检测到,这为中子星合并产生的窄高能粒子射流提供了证据。喷气机是“离轴的”——也就是说,不直接指向地球。研究人员认为,钱德拉最初是从侧面观察狭窄喷流,因此在检测到引力波后没有立即看到 X 射线。

然而,随着时间的推移,射流中的物质在撞击周围物质时减速并变宽。这导致射流的锥体开始扩大到钱德拉的直接视线中,并检测到 X 射线发射。

自 2018 年初以来,随着喷流进一步减速和膨胀,由喷流引起的 X 射线发射逐渐变暗。研究小组随后注意到,从 2020 年 3 月到 2020 年底,下降停止,X 射线发射的亮度大致恒定。这是一个重要的迹象。

加州大学伯克利分校的合著者 Raffaella Margutti 说:“X 射线迅速停止消退的事实是我们迄今为止最好的证据,证明在这个源的 X 射线中除了喷流之外还发现了一些东西。” “似乎需要一个完全不同的 X 射线源来解释我们所看到的。”

对这种新的 X 射线源的一个主要解释是,合并产生的膨胀碎片产生了冲击,就像超音速飞机的音爆一样。被激波加热的物质所产生的辐射称为千新星余辉。另一种解释是,X 射线来自中子星合并后形成的落向黑洞的物质。GW170817 将是这两种解释的第一个观察结果。

“对 GW170817 的进一步研究可能会产生深远的影响,”同样来自西北大学的合著者 Kate Alexander 说。“检测到千新星余辉意味着合并不会立即产生黑洞。或者,这个物体可能会为天文学家提供一个研究物质在其诞生几年后如何落入黑洞的机会。”

为了区分这两种解释,天文学家将继续在 X 射线和无线电波中监测 GW170817。如果它是千新星余辉,预计无线电发射会随着时间的推移变得更亮,并在接下来的几个月或几年内再次被检测到。如果解释涉及物质落到新形成的黑洞上,那么 X 射线输出应该保持稳定或迅速下降,并且随着时间的推移不会检测到无线电发射。团队目前正在分析的钱德拉从 2021 年 12 月开始对 GW170817 的新观测可能有助于解决这个问题。

“这一观察结果也为进一步研究铺平了道路,”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、合著者阿什利·维拉尔说。“当 LIGO 开始第四次观测运行时,我们希望找到更多的千新星,并真正探索这些事件的多样性,包括余辉中的质量和能量特征如何不同,以及喷流结构等非热成分可能如何变化。该数据集的丰富性对于阐明推动这种多样性的物理学至关重要。”

一篇描述这些结果的论文发表在最新一期的《天体物理学杂志快报》上。

美国宇航局的马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉计划。史密森尼天体物理天文台的钱德拉 X 射线中心控制着来自马萨诸塞州剑桥的科学操作和来自马萨诸塞州伯灵顿的飞行操作。

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