666,中国科大发现天文界“万磁王”
这是年内中国科大第“6”篇CNS重磅论文
这是来自“66”亿光年外的神秘光辉
这是天文界“万磁王”——磁星
编者按
X战警中的大反派“万磁王”带给我们无限遐想,而在浩渺星空中,是否存在真正的天文“万磁王”一直是个谜题,今天,来自中国科学技术大学物理学院的薛永泉教授给了这个问题一个肯定的回答。
借助美国宇航局的钱德拉空间望远镜所完成的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,中国科学技术大学薛永泉教授等人发现了一个持续约7小时的独特X射线辐射信号,这个信号来自约66亿光年外。各种关键观测数据均表明,该信号极有可能源于双中子星合并之后产生的磁星。
论文通讯作者之一,中国科学技术大学物理学院天文系薛永泉教授,他的主要研究方向为X射线高能天体物理。背景左上为钱德拉X射线空间望远镜(该望远镜探测到了这颗磁星),左下为遥远宇宙中神秘磁星的假想图;右上为活动星系核的假想图(薛永泉的主要研究天体之一);右下为由钱德拉空间望远镜完成的迄今最为灵敏的X射线巡天的部分天区图像(正是这一系列观测中的一个捕获了这颗磁星)。(盛振峰摄)
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。例如,在宇宙中时有发生的双中子星合并会产生什么?
主流的研究观点认为双中子星合并之后直接产物是黑洞。但南京大学戴子高教授等人最早预言,若中子星压强随核物质密度的变大而显著增加,则双中子星合并会产生新的特殊的中子星——磁星。
磁星,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,是天文界“万磁王”。它具有超高的自转速度,每秒自转几百上千周。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的强大引力,因而不会坍缩成黑洞。
双中子星合并会释放强烈的引力波辐射,同时还会在周边抛出大量物质。磁星具有强引力,快速吸入抛出物质,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。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,即天体物理所称的短伽玛暴。同时,磁星还会产生持续时间较长的基本各向同性的X射线爆发,可在偏离喷流的方向被探测到。
遥远宇宙中神秘磁星的假想图(图像创作:王国燕、何聪)
薛永泉教授和他的两位研究团队成员——博士研究生李俊瑶同学以及博士后孙谋远博士一起讨论新发现的这颗磁星的相关物理性质。(盛振峰摄)
中国科学技术大学领衔的研究团队观测到了这种以前只存在于理论猜想中的新型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。该成果于4月11日在线发表在《自然》杂志。
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。
即使没有看到短伽玛暴,人们也能通过磁星的X射线辐射来了解双中子星合并以及中子星自身的更多秘密。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带来新的方向。
中国科大物理学院天文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。
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1079-5
我们都知道,X战警中的万磁王,是一个可以控制地球磁场的变种人,然而在天文界也有万磁王,而且威力更加强劲,那就是——大质量毫秒磁星~~~如果万磁王和大质量毫秒磁星来个PK,谁会获胜呢?
比质量?一般的中子星通常为1点多个太阳质量、极少超过2个太阳质量,而大质量磁星则是中子星里的大哥大,可高达2.5个太阳质量左右。
比速度?毫秒磁星自转周期为毫秒级,一秒钟自转几百圈。
比磁力?一般中子星的磁场在10^8——10^12高斯左右,磁星高达10^14高斯以上,这样的磁力转换为压强,相当于在一元硬币那么小的面积上承受一亿吨物体的压力。
如此厉害的天体,磁星到底是何方神圣,又是如何形成的呢?我们知道,一切恒星都有生命的尽头,太阳当然也不例外。
像太阳这样的恒星燃烧殆尽后,会塌缩成为白矮星;而质量是太阳八倍或者更重的恒星,则会经过超新星爆炸、留下的残骸成为中子星或黑洞。
尤其是双大质量恒星系统,在两个恒星各自塌缩成为中子星后,这对双中子星难兄难弟会由于两次超新星爆炸不对称的反冲力,在几十亿年间从星系中心附近被踢到星系的边缘,期间由于引力波的释放、损失轨道能量而越靠越近并最终合并。
比如2017年8月17日,LIGO-Virgo引力波天文台首次联合探测到双中子星合并的引力波。但是双中子星合并后会产生什么?天文界并没有定论,并产生了许多理论推论。
目前天文界有三种具有代表性的观点,一种认为会直接合并为黑洞,这也是大部分人的观点,一种认为会形成大质量毫秒磁星,并最终塌缩成黑洞,另一种认为会形成稳定的中子星,然而从来没有人真正在观测上证实这些推论。
2017年的那次引力波观测并没有最终确定双中子星合并后的产物。然而2018年,中国科学技术大学的薛永泉教授领衔的一项研究却发现了一个爆发于3年多前的百年一遇的双中子星合并产生大质量毫秒磁星的首例事件。
双中子星合并如果产生大质量毫秒磁星,磁星会源源不断的释放出高能量电磁辐射,科学家就是发现了高能量电磁辐射的暂现源,观测到了磁星独特的X射线辐射余晖以及所属星系的特征性质,通过推论确定了这次双中子星合并的最终产物——天文界的万磁王,大质量毫秒磁星。
本次发现的X射线暂现源爆发在2015年3月,其辐射持续时间约为7小时,处于红移0.738,即离我们约66亿光年之外。
来源:中国科大官方微信、墨子沙龙、物理学院
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