中国科学家颠覆主流观点:双中子星合并的产物不是黑洞

发布时间:2019-04-12 15:30 来源:人民日报 点击数:{{pvCount}}
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  双中子星合并之后直接产物是黑洞?我国科学家的最新发现颠覆了科学界的这一主流观点,并通过各种数据证实:双中子星合并之后的直接产物,可以是磁星。 

 

  磁星假想图。王国燕、何聪供图 

  借助美国宇航局的钱德拉X射线空间望远镜,中国科学技术大学物理学院天文系薛永泉教授等人发现了一个持续约7小时的X射线辐射信号,这个信号来自约66亿光年(约等于6乘以10的22次方千米)外。各种关键观测数据与理论分析均表明,该信号源于双中子星合并之后产生的磁星。

  该成果于4月11日在线发表在《自然》杂志。

  国际同行指出,这一发现表明,可以通过磁星的X射线辐射了解中子星的更多秘密。这意味着,来自66亿光年外的光辉,为未来的引力波探测和中子星研究照亮了新的方向。

  什么是中子星?薛永泉介绍说,中子星是宇宙中最为神奇的天体之一,它几乎全部由中子组成,具有超高密度(为水密度的上亿倍)、超强磁场(为地表磁场的上亿倍)等极端物理属性,是检验基本物理规律极佳的天然实验室。

  “然而,迄今为止,人们对于中子星自身基本属性的认识还是相对模糊的。”薛永泉说,例如,在宇宙中时有发生的两颗中子星合并会产生什么?

  据介绍,此前主流的研究观点认为,双中子星合并之后直接产物是黑洞。“当然,也有不同意见。比如,南京大学戴子高教授等学者最早做出了这样的预言:若中子星压强随核密度的变大而显著增加,则两个中子星合并可以产生新的特殊的中子星——磁星。”

  薛永泉告诉记者,顾名思义,磁星就是磁场特别强的星体。“它的表面磁场比目前人类实验室能制造出来的最强磁场还强上亿倍,同时具有超高的自转速度,每秒自转几百到上千周。由于磁星的快速自转,即使它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自身产生的强大的引力,因而不会坍缩成黑洞。”

  科学家们是如何观测到磁星的? 

  薛永泉告诉记者,双中子星合并时还会在周边抛出大量物质,而磁星的强引力快速吸入被抛出的物质,并在两极方向产生一个只持续几秒钟的超高速、准直的喷流,即天体物理所称的短伽玛暴。

 

  伽玛暴假想图。美国宇航局供图 

  “假如喷流方向恰好对着地球,地球附近就能在短时间内探测到大量的高能量伽玛射线。”薛永泉说,伴随着短伽马暴,同时还会产生持续时间较长的向四面八方传播的X射线爆发。

  中子星距离地球非常遥远,要想观测到双中子星合并的壮丽景象,尤其是X射线爆发信号,必须借助灵敏的太空望远镜。

 

  钱德拉X射线太空望远镜。美国宇航局供图 

  2016年3月,钱德拉X射线太空望远镜完成了当今世界上最深最灵敏的X射线巡天观测——七百万秒钱德拉南天深场。随后,薛永泉研究团队在分析该系列巡天观测的数据时,在其中一个完成于2015年3月的观测里发现了以前只存在理论猜想中的新型X射线信号,在国际上首次证实了双中子星并合直接产物可以是磁星。这一发现证实了双中子星并合直接产物可以是大质量毫秒磁星,排除了一批核物质模型,明确了一系列关于中子星物态方程与极高磁场强度等基本物理特质,进而深化了对中子星基本属性的认识。

 

  最为灵敏X射线巡天的中心天区。美国宇航局/南京大学罗斌等人供图 

  论文的审稿人之一对这一发现给予高度评价,指出:“这个新的X射线暂现源的发现是非常引人入胜的。特别令人兴奋的是,钱德拉X射线空间望远镜以其出色的空间分辨率做出了这一发现,从而能够可靠证认该源的宿主星系。”

  薛永泉教授是该论文的第一兼通讯作者,其硕士研究生郑学琛与美国内华达大学张冰教授为论文共同通讯作者,北京大学李晔博士与紫金山天文台吴雪峰研究员等人为论文主要作者。

 

  薛永泉教授(左一)和博士研究生李俊瑶(中)、博士后孙谋远在讨论新发现的这颗磁星的相关物理性质。中国科技大学盛振峰供图。 

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