仅存在不到1秒的天体

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仅存在不到1秒的天体[color=var(--weui-FG-2)]

[color=var(--weui-FG-2)]不二北斗
原理 [color=var(--weui-FG-2)]2023-01-14 04:30
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  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。

                               
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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。

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）

  老数据、新发现  

现在，在一篇于近期发表在《自然》杂志上的新研究中，一组研究人员通过搜寻由格雷尔斯雨燕天文台、费米伽马射线空间望远镜、康普顿伽马射线天文台收集的700个短GRB数据档案，在两个短GRB中捕捉到了这种准周期振荡的特征。

                               
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1991年4月，宇航员在亚特兰蒂斯号航天飞机上拍摄了康普顿伽马射线天文台的图像。（图/NASA/STS-37 crew）

这两个事件是由康普顿伽马射线天文台于20世纪90年代初观测到的GRB 910711和GRB 931101B。通过分析这两个事件在并合后的遗迹的振荡频率数据，他们发现观测结果与通过数值模拟预测的准周期振荡一致。新结果表明，在这两个短GRB事件中，双中子星在碰撞、并合之后，形成了一颗短暂存在的巨型中子星，但很快，这颗大质量天体便坍缩成了黑洞。

  重要的结果  

这些新的结果非常重要，它们可以揭示中子星的许多特性，进而加速我们对宇宙中最极端区域的物理学的理解，比如其中一个特征是中子星的致密性。

我们知道，一个乐器，比如鼓，所发出的声音的频率与它的大小有关：鼓越小，频率越大，音调越高；鼓越大，频率越小，音调越低。类似的，一个更小、更致密的中子星并合后留下的遗迹的振荡频率，要比一个更大、密度更小的中子星在并合后留下的遗迹的振荡频率更高。因此，从振荡频率可以推测出中子星的致密性。

另外，在1~5千赫兹的频率范围内，不同的研究组对并合后的引力波信号进行了各种数值模拟，结果显示出了一致的功率谱特征。目前，使用当前的引力波探测器无法观测到的这些信号，而这些数值结果将为未来用引力波天文台测量超大质量的中子星奠定基础。

在未来十年内，第三代地基引力波探测器将可以灵敏地探测千赫兹频，为超大型中子星的短暂寿命提供新的见解。不过在那之前，对它们的探测仍然只能依赖于灵敏的伽马射线观测和计算机模拟。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-retired-compton-mission-reveals-superheavy-neutron-stars

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04580-w

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05497-0

#图片来源：

封面图&首图：NASA