[科普中國]-真·宇宙“噴泉”現(xiàn)身：中子星碰撞又出新番！

作者：王善欽

編輯：Yuki

今天，《科學(xué)》（Science）發(fā)表的一篇論文首次證明：1億多光年外的一對(duì)中子星碰撞后產(chǎn)生了巨大的宇宙“噴泉”——接近光速的噴流。

說起來， 這對(duì)中子星可算得上是有頭有臉的“明星”了！

還記得2017年天文界爆出后迅速席卷全球各大媒體的那個(gè) 大新聞 （ 聽說整個(gè)天文界都嗨了！難道真的是因?yàn)檫@個(gè)？ ； 剛剛見分曉！天文學(xué)家們憋到快炸的大新聞，到底說了啥？ ） 嗎？沒錯(cuò)，它們就是那次新聞的主角。

2017年8月17日，地球上的激光干涉引力波探測(cè)器（LIGO）探測(cè)到一個(gè)引力波。2秒后，伽瑪射線衛(wèi)星Fermi探測(cè)到一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2秒的伽瑪射線暴。

經(jīng)過研究，科學(xué)家們確定這個(gè)引力波和這個(gè)伽瑪射線暴來自 一對(duì)碰撞的中子 星 。這是人類首次同時(shí)觀測(cè)到來自同一天體物理系統(tǒng)發(fā)出的引力波與電磁波，這對(duì)中子星由此一撞成名，而它們的表演，才剛剛開始。

01 雙星相擁，精彩不斷

中子星里面幾乎全部是緊密擠在一起的中子，半徑只有大約10千米，但它們的質(zhì)量卻比我們的太陽還要大，是地球質(zhì)量的幾十萬倍那么大，因此是高度壓縮的星體。這么致密的天體大部分是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)的猛烈收縮壓出來的。試想，讓兩顆這樣的星體撞在一起，會(huì)產(chǎn)生怎樣的“火花”呢？

天文學(xué)家對(duì)此也很好奇，一直期望能夠直接探測(cè)到兩顆中子星碰撞產(chǎn)生的種種現(xiàn)象并在理論上進(jìn)行了大量的研究。這個(gè)愿望終于在2017年實(shí)現(xiàn)了——那對(duì)緊緊相擁的中子星著實(shí)“表現(xiàn)不凡”，給科學(xué)家們帶來一個(gè)又一個(gè)驚喜。

科學(xué)家在后續(xù)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了中子星碎片發(fā)出的紫外線、可見光與紅外線——這就是天文學(xué)家尋覓二十年的千新星（2013年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑似的千新星，但證據(jù)不是非常強(qiáng)，因此只是候選體）。

此外，X射線望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡分別發(fā)現(xiàn)了這次爆發(fā)發(fā)出的X射線輻射與射電輻射，它們分別是伽瑪射線暴的“X射線余輝”與“射電余輝”。

天文學(xué)家們普遍認(rèn)為：中子星碰撞拋出的碎片產(chǎn)生了千新星，其旋轉(zhuǎn)軸方向上噴發(fā)的噴流制造出伽瑪射線暴與余輝。

這個(gè)噴流，就像宇宙中的 巨型“噴泉” 。

（中子星碰撞后的噴流堪比宇宙“噴泉”。 圖片來源：Wikimedia Commons|Ammar shaker）

雖然有很多進(jìn)展和驚喜，但還是有問題沒解決。其中一個(gè)問題就是： 制造出伽瑪射線暴與余輝的噴流到底是什么樣的形態(tài)？ 此前人們一直不甚了然，而在今天（北京時(shí)間2019年2月22日），一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》上的新研究解開了這個(gè)謎團(tuán)，為中子星碰撞事件再添新番。

02 中子星碰撞，產(chǎn)生了哪些“宇宙特效”？ 兩顆中子星在環(huán)繞共同中心旋轉(zhuǎn)，緩慢接近，最終發(fā)生碰撞。碰撞前后的很短時(shí)間內(nèi)，有一些中子星碎片會(huì)被拋灑出去；剩余的部分要么合并為一個(gè)黑洞，要么形成更大質(zhì)量的中子星。

中子星碰撞的過程與碰撞前后會(huì)產(chǎn)生蔚為壯觀的“宇宙特效”—— 一系列 絢麗多彩的天文現(xiàn)象 。我們就以2017年觀測(cè)到的那對(duì)中子星碰撞事件為例，來強(qiáng)勢(shì)圍觀一下：

首先登場(chǎng)的是 引力波 。在這對(duì)中子星彼此纏綿環(huán)繞的過程中，會(huì)源源不斷輻射出引力波，但在絕大部分時(shí)間里，這些引力波都比較“低調(diào)”（頻率低），無法被當(dāng)前的引力波探測(cè)器探測(cè)到。直到碰撞瞬間和前后很短時(shí)間內(nèi)發(fā)出的引力波，才被人們成功探測(cè)到。這次探測(cè)到的引力波就是這個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)出的。

（兩個(gè)中子星互相環(huán)繞并發(fā)出引力波的藝術(shù)想象圖。圖片來源：P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF）

隨后產(chǎn)生的是 千新星（電磁波，可見光為主 ）。碰撞前被拋出的碎片中，有一部分會(huì)不斷向外擴(kuò)散，里面的大量中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，質(zhì)子又與剩余的中子一起合成重元素，如金、銀、鈾、钚，等等。這些重元素中的放射性元素發(fā)生放射性衰變、裂變等過程，釋放出大量能量，將這些碎片加熱到上萬度，輻射出紫外線、可見光與紅外線。這類爆發(fā)通常只需要一天左右就可以達(dá)到最亮，亮度比絕大部分超新星暗，同時(shí)是典型新星亮度的一千倍左右，因此被稱為“千新星”。

（紅色箭頭所指，就是第一個(gè)被確認(rèn)的千新星。圖片來源1M2H / UC Santa Cruz和Carnegie Observatories / Ryan Foley）

相伴而來是 伽瑪射線暴（電磁波，伽瑪射線為主） 。碰撞前拋出的另一部分碎片會(huì)重新向中心回落，堆積成一個(gè)盤狀物，即“吸積盤”。吸積盤與中心的黑洞或者大質(zhì)量中子星構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。吸積盤的物質(zhì)向內(nèi)回落，黑洞或者中子星旋轉(zhuǎn)軸方向上噴發(fā)出噴流，噴流內(nèi)的電子被加速，輻射出大量伽瑪射線，形成伽瑪射線暴。

在這之后，還有 伽瑪射線暴的多波段余輝（電磁波，X射線和射電為主） 。伽瑪射線暴的噴流在向外噴發(fā)時(shí)，會(huì)沖擊周圍空間中的稀薄介質(zhì)，將介質(zhì)中的電子加速，高速電子釋放出伽瑪射線、X射線、可見光與射電輻射，它們聯(lián)合起來組成了伽瑪射線暴的多波段余輝。如果余輝中有可見光成分，就會(huì)與千新星中的可見光混合起來。這次被觀測(cè)到的只有X射線余輝與射電余輝。

（注：由于觀測(cè)條件的限制以及千新星需要至少幾小時(shí)才能明亮到足以被望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到，千新星在伽瑪射線暴被探測(cè)到之后十個(gè)半小時(shí)才被探測(cè)到。）

（藝術(shù)想象圖：中子星碰撞之后，一些碎片噴發(fā)出去后不斷向外擴(kuò)散，包圍住這個(gè)系統(tǒng)，形成千新星；一些碎片回落，形成吸積盤，吸積盤中的物質(zhì)落向中心的黑洞或超大質(zhì)量中子星，并從黑洞或者中子星旋轉(zhuǎn)軸方向噴發(fā)出噴流，形成伽瑪射線暴；噴流與星際空間中的物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生多波段余輝。:圖片來源： O.S. Salafia, G. Ghirlanda, NASA/CXC/GSFC/B. Williams et al.)

03 宇宙“噴泉”也要驗(yàn)明正身？

不過，這樣的噴流可不僅限于一種情況。中子星碰撞后可能形成真噴流、噴流繭以及“嗆住的噴流”。 所謂的 真噴流 ，就是成功地在空間中傳播出去的噴流，速度接近光速； 噴流繭 就是噴流在向外噴發(fā)時(shí)與周圍物質(zhì)相互作用后形成蠶繭形狀的一種結(jié)構(gòu)，比真正的噴流寬很多；而 嗆住的噴流 ，指的是噴流沒有成功沖出去，而是在中途被物質(zhì)阻擋，就像人吃東西時(shí)被東西嗆住，東西進(jìn)不了肚子。

(不同類型噴流的示意圖。繪制者：Yuki、王善欽)

那么， 2017年的雙中子星碰撞事件產(chǎn)生的噴流屬于哪種情況呢？ 這次剛剛發(fā)表的研究正是回答了這一問題。

為了確定這次產(chǎn)生伽瑪射線暴與余輝的噴流的具體結(jié)構(gòu)，由意大利科學(xué)家Ghirlanda領(lǐng)銜的小組利用分布于全球五大洲的32個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的陣列，對(duì)事件爆發(fā)后207.4天的射電余輝進(jìn)行了觀測(cè)。必須強(qiáng)調(diào)的是，這里說的余輝，不是整個(gè)事件的余輝，而只是其中的伽瑪射線暴的余輝。

(分布于世界上五大洲的32個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡參與了觀測(cè)。圖片來源：Paul Boven)

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，Ghirlanda等人測(cè)量出噴流的大小。他們的研究表明： 它 不是噴流繭，也不是嗆住的噴流，而是一個(gè)真正的噴流，其速度極高，接近光速 。Ghirlanda認(rèn)為，雙中子星碰撞事件中，大約有10%會(huì)形成這樣的宇宙“噴泉”。

(宇宙 “ 噴泉”（噴流）的藝術(shù)想象圖。圖片來源：Science|Beabudai Design)

中子星碰撞產(chǎn)生的宇宙 “ 噴泉”，在多國學(xué)者的共同合作研究下終于被驗(yàn)明正身。 精確地說，這是一個(gè)“結(jié)構(gòu)化”的真噴流，而不是最簡(jiǎn)單的真噴流。

值得指出的是，這32個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡中，有3個(gè)位于中國境內(nèi)：昆明、上海、烏魯木齊。這三個(gè)望遠(yuǎn)鏡分別是中國科學(xué)院的云南天文臺(tái)、上海天文臺(tái)與新疆天文臺(tái)的。因此，這次篇論文中有來自中國學(xué)者的貢獻(xiàn)。

這個(gè)研究成果首次確定了雙中子星碰撞形成的噴流的具體形態(tài)，是這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展，同時(shí)也再一次體現(xiàn)出國際合作的重要性。

排版：小爽

題圖來源： Science|Beabudai Design

參考文獻(xiàn):

G. Ghirlanda et al., Science10.1126/science.aau8815 (2019).