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科学家证实新的“虫茧模型”,是中子星合并的电磁波来源

2024-12-26 206

今年 8 月,人类首次侦测到双中子星合并释放的重力波,随之而来的还有伽玛射线、X 射线和可见光等各种电磁波爆发,但当时的模型无法解释为何后续侦测到的无线电讯号逐渐增强。于是科学家提出一个全新的虫茧模型,并在最近证实无线电、X 射线等都是来自中子星爆炸后周围的“茧”。

结合美国激光干涉仪重力波观测台(LIGO)和欧洲先进处女座干涉仪(Virgo)的力量,今年 8 月 17 日人类首次侦测到双中子星碰撞合并释放的重力波事件“GW170817”,引起全球天文圈轰动。

标准模型认为,两颗中子星合并时引起名为千级星(kilonova)的爆炸,向外推动形成球形碎片壳;碰撞后的中子星消失坍塌成残余物质,可能就地变成黑洞,其强大重力场平衡了向外推力,开始将爆炸物质拉回来并形成快速旋转的碎片尘埃圆盘(也就是吸积盘)。

黑洞吸积盘产生一对从两极(盘面上、下方)往外射出的束状喷流,速度接近光速,其中高能量的伽玛射线暴(GRB)会在气体摩擦中产生,如果有道喷流瞄准地球,那么望远镜就能观测到。

到这里为止,一切都没有争议,但接下来的实际检测结果却开始与模型产生分歧。

NASA  的费米伽玛射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)检测到的伽马射线讯号,和其他短伽玛射线暴讯号纪录相比,亮度低了 10,000 倍,更奇怪的是,X 射线和无线电波讯号直到中子星碰撞释放重力波后约 16 天才出现,一般来说,这些电磁辐射应该要能马上侦测到并随着时间减弱、慢慢消失。

然而,由美国国家电波天文台(NRAO)天文学家 Kunal Mooley 领导的团队发现事实并非如此,相反的,无线电讯号反而随着时间推移稳定增强。X 射线和无线电波延迟出现还能勉强解释,可能是喷流方向稍微偏离了点,导致碰撞后一段时间才被望远镜看到;但无线电讯号增强,且已经持续了 93 天(至今还可见),代表天文学家需要一个全新模型才能解释。

▲ 左为标准模型,右为新的虫茧模型。(Source:美国国家电波天文台)

美国加州理工学院天文学家 Mansi Kasliwal 和其团队在 10 月首先提出虫茧模型,以色列台拉维夫大学天文学家 Ore Gottlieb 和其团队进一步开发,在该模型下,喷流其实没有冲出千级星爆炸时产生的球形碎片壳,而是猛撞这些碎片并转移能量,这些额外能量创造出一个发光的“茧”,得以让辐射比原本还维持更长时间、更高强度,所以科学家才看到逐渐增强、至今未消退的无线电波讯号。

为了验证这项理论,研究人员预测了钱卓拉 X 射线天文台在 12 月 2 日、6 日的观测结果,12 月 7 日结果出炉,团队的预测是对的。

Kunal Mooley 说,也许未来还会有其他模型可以解释这些现象,但现在,虫茧模型有一个很重要的意义,在于科学家未来可以试着利用电磁波来发现天体碰撞,而不只是单纯透过重力波。

注:电磁波谱频率从低到高分别为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽玛射线,其中可见光(人眼感受得到的部分)只是电磁波谱中一个很小的区段。
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(首图来源:美国国家电波天文台)

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2019-03-16 06:31:00

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