中國科大等發現首例磁星驅動的X射線暫現源

中國科學技術大學物理學院天文系教授薛永泉研究組領銜的一項研究，發現了首例雙中子星併合形成的磁星所驅動的X射線暫現源，證實了雙中子星併合直接產物可以是大質量毫秒磁星，明確了一系列關於中子星物態方程與極高磁場強度等基本物理規則條件，進而深化了對中子星基本屬性的認識，證實了之前的理論預言。該研究成果以A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron-star merger為題，於4月11日在線發表在國際期刊《自然》（Nature）上。

中子星是大質量恆星演化後期發生超新星爆炸以後形成的緻密天體，是宇宙中最為神奇的天體之一。它幾乎全部由中子組成，具有超高密度（即核密度，為水密度的上億倍）、超強磁場（為地表磁場的上億倍）等極端物理屬性，是檢驗基本物理規律極佳的天然實驗室。然而，迄今為止，人們對於中子星自身基本屬性（例如物態方程）的認識還是相對模糊的。

雙中子星併合的直接產物除了黑洞之外是否還可能是中子星，一直以來尚無定論。早在2006年就有理論預言，如果中子星物態方程足夠硬，即壓強隨著核密度變大而顯著增加，則至少應有一些雙中子星併合事件在產生引力波暴的同時，會產生大質量毫秒快轉的極強磁場中子星（即毫秒磁星，其磁場為地表磁場的上百萬億倍；見圖1）或者甚至是穩定的中子星。由於磁星所驅動的X射線輻射基本各向同性，因而如果觀測視線與其噴流（會產生短伽瑪射線暴）方向夾角較大時，將預期看到一個沒有對應的短伽瑪射線暴、光變曲線具有特徵平台期的X射線暫現源，然而這樣的天體卻從未被發現。

圖1：

遙遠宇宙中神秘磁星的假想圖（圖像創作：王國燕、何聰）

薛永泉等人在迄今為止最深、最靈敏的X射線巡天——七百萬秒錢德拉南天深場（7Ms CDF-S）里發現了一個新型的X射線暫現源（稱為CDF-S XT2，簡稱XT2；其X射線輻射僅持續了約7個小時），其紅移為0.738，即距離我們約66億光年遠。觀測數據與理論分析顯示：（1）XT2沒有伽瑪射線探測。（2）XT2的光變曲線具有從平台期（即光度基本不變）到下降期（光度隨時間t成-2次方冪律衰減）快速演化的特徵形狀與時標（見圖2左上及圖2下），與理論預言的大質量毫秒磁星產生的X射線輻射完美吻合。（3）XT2位於其寄主星系的外沿（見圖2右上），這和雙中子星受超新星爆炸不對稱的反衝力作用被「踢出」至星系邊緣的圖像吻合；而且基於XT2寄主星系各項物理屬性算出的XT2起源於雙緻密星併合的概率非常高。（4）估算的類似XT2的暫現源事件發生率被修正到位於近鄰宇宙里的值時，其與由第一例雙中子星併合引力波事件GW170817可靠導出的雙中子星併合發生率相符，從而進一步支持了XT2的雙中子星併合起源。以上論據一致表明，XT2是首例雙中子星併合形成的磁星所驅動的X射線暫現源，且其沒有對應的短伽瑪射線暴。

圖2：XT2的X射線特徵光變曲線（左上）與圖像（下）及其相對寄主星系的位置（右上）

薛永泉為該論文第一兼通訊作者，其碩士研究生鄭學琛與美國內華達大學教授張冰為論文共同通訊作者，北京大學博士李曄與中國科學院紫金山天文台研究員吳雪峰等人為論文主要作者。該項研究得到國家自然科學基金、科技部「973」計劃、中科院前沿科學重點研究計劃項目等的資助。

來源：中國科學技術大學

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