并合的双中子星
中子星是一种非常致密的天体。通常,它们的质量比太阳更大,而大小却只有一个城市的规模。当两颗中子星碰撞、并合,形成一个新的黑洞或一个新的中子星时,会产生持续时间不超过2秒的伽马射线暴(GRB)。
2秒以内的GRB被称为短GRB,虽然它们的持续时间不长,但释放的能量却很大,相当于银河系中所有恒星一年释放的能量。如此高能的发射使得即便它们与地球相距10亿光年之远,也可以从地球上观测到。
一颗中子星(蓝球)在一个气体盘的中心旋转,其中一些气体随着磁场(蓝线)流动到天体表面。
(图/NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
除了伽马射线,双中子星并合还会产生时空的涟漪——引力波,因此这样的事件属于一种多信使天文学事件。尽管天文学家已经努力地在研究双中子星并合事件,但仍然有许多谜题存在。
准振荡周期
我们已经知道,当相互绕行的的中子星碰撞在一起时,会形成短GRB,它们最终会坍缩成黑洞。但对于这些事件的精确发生顺序,却不甚了解。
根据中子星的质量等细节,天文学家推测在某些并合事件发生后,有可能短暂形成一颗新的中子星。这些新生的中子星的质量至少是太阳的两倍,半径为10~15千米,每秒旋转1000到2000次。快速的旋转可以短暂地防止它进一步坍缩,但这一过程的持续时间非常短,只能持续大约10~300毫秒,之后便会迅速坍缩成黑洞。
通过对这些并合进行计算机模拟,天文学家发现当这样的并合事件发生时,引力波的频率会突然上升到1000赫兹以上。但是这些信号太快、太微弱,现有的引力波天文台无法对其进行探测。幸而研究人员通过数值模拟发现,在短GRB的发射过程中,似乎也会伴随这样的信号。
这些信号被称为准周期振荡(QPO),它源自于剧烈的碰撞发生之后,新生的中子星在旋转时所经历的剧烈振荡。与音叉等有着稳定振荡频率的器件不同,准周期振荡可以由几个随时间变化的接近的频率组成。只可惜一直以来,科学家并没能发现这些振荡存在的证据。
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模拟显示了两颗绕行的中子星碰撞时产生的引力波和密度的变化。深紫色表示最低的密度,黄白色表示最高的密度。音调和频率刻度(左)追踪的是当两颗中子星在靠近时,引力波频率的稳步上升。当天体在42秒并合时,引力波突然跳到数千赫兹的频率,并在两个主要音调之间来回(准周期振荡,QPO)。(视频/NASA's Goddard Space Flight Center and STAG Research Centre/Peter Hammond)