雙中子星合併會發生什麼？來自66億光年外的「相愛相殺」
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宇宙中神秘磁星的假想圖。
圖像創作：王國燕、何聰
宇宙中有一種天體，它和黑洞一樣非常神奇，小小的身體卻有著超乎想像的質量，它就是由大質量恆星坍塌而成的星體——中子星。
它的密度有多大？「當與地球發生高速碰撞時，即使是一小勺的中子星物質，都會造成比恐龍滅絕更為嚴重的災難。」中國科學技術大學天文系教授薛永泉告訴《中國科學報》。
試想一下，假如兩個這樣強勢的天體合併在一起，又將會迸濺出怎樣的火花？近日，薛永泉團隊在《自然》發表的一項研究作出了回答。
致命天體的「相愛相殺」
「乒乓球大小的中子星物質的質量和地球上的一座山相當。」薛永泉告訴記者，中子星是大質量恆星演化到晚期時，由於內部熱核聚變反應停止，壓力支撐不住自身引力，而塌陷成一種直徑約20公里的緻密天體。它幾乎全部由中子組成，密度極大。
「磁星是一種特殊的中子星，它的磁場特彆強，是地表磁場的1014~1015倍。科學家計算，距離該磁星一千公里內，人類都無法生存。」薛永泉說。
天文學家發現，宇宙中的大多數恆星都是雙星系統，如果雙星系統都是大質量恆星，演化到後期則會發生超新星爆炸。
在此過程中，會形成一個雙中子星系統，而雙中子星就像一對「相愛相殺」的情侶，彼此「身心消耗」、互相「折磨」卻又擋不住致命的「吸引」。
「兩個中子星互相繞轉，釋放引力波，軌道能量損失，於是越靠越近，最終在劇烈碰撞、釋放引力波暴之後合二為一。」薛永泉說。
合併後的「結晶」
人們好奇，當這對「相愛相殺」的情侶終於合二為一、「修成正果」後，它們又會誕生出怎樣的「愛情結晶」？
此前，主流觀點認為，雙中子星併合後的直接產物是黑洞。二者合併後會形成一個新的、質量更大的緻密天體。
如果這個新天體的質量超過中子星的質量上限，天體內部物質的壓力將難以抗衡星體自身的引力，使得星體直接坍縮成為一個黑洞。
但也有學者對此提出質疑，南京大學教授戴子高等人曾預言，若中子星壓強隨核物質密度的變大而顯著增加，則雙中子星合併可以產生新的、特殊的中子星——大質量毫秒快轉的磁星，其超高速自轉產生的強大離心力可以幫助抵抗自身的引力。
「如果兩個中子星的併合產物是大質量毫秒磁星，其所驅動的X射線輻射在空間分布是各向均勻的，若觀測者視線方向與短伽瑪射線暴噴流方向夾角較大，預期將會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的X射線暫現源。」南京大學天文與空間科學學院教授羅斌在接受《中國科學報》採訪時表示，這類天體將是雙子星併合產生磁星的有力證據。
然而，中子星距離地球非常遙遠，要想觀測到雙中子星合併的壯麗景象，尤其是X射線爆發信號，必須藉助靈敏的X射線太空望遠鏡。
為此，薛永泉團隊藉助錢德拉X射線太空望遠鏡完成的、當今最深最靈敏的X射線巡天觀測——七百萬秒錢德拉南天深場，在1999年到2016年間，陸續對天空中精心選出的一小片約1/4滿月大小的區域拍攝了102次，總計曝光七百萬秒。
隨後，研究團隊對該系列巡天觀測的數據進行分析，在完成於2015年3月的觀測里，發現了以前只存在理論猜想中的新型X射線信號，該信號來自於約66億光年外的新型X射線暫現源，其X射線輻射持續時間約7小時。
各種關鍵觀測數據均表明，該信號極有可能源於雙中子星合併之後產生的磁星。
有望觀測引力波暴
「來自66億光年外的光輝，為未來的引力波探測和中子星研究帶來新的方向。」談及此次發現，薛永泉驕傲地說，即使沒有看到短伽瑪暴，人們也能通過磁星的X射線輻射，了解雙中子星合併以及中子星自身更多的秘密。
他介紹，人們對中子星這種核物質的狀態方程尚未了解清楚。
該發現證實了雙中子星併合的直接產物可以是大質量毫秒磁星，排除了一批核物質模型，明確了一系列關於中子星物態方程和極高磁場強度等基本物理特質，深化了對中子星基本屬性的認識。
「此外，雙中子星合併會產生非常強的引力波暴。如果將來又發現類似的爆發現象，並且該爆發事件離我們足夠近的話，我們可以將引力波觀測與X射線觀測數據結合，完全有可能更加深入地理解此類引力波爆發的奇觀。」薛永泉說。
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來源：中國科學報
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