【中国科学报】双中子星合并会发生什么

宇宙中神秘磁星的假想图    图像创作：王国燕、何聪

■本报见习记者 程唯珈 记者 温才妃 杨保国

宇宙中有一种天体，它和黑洞一样非常神奇，小小的身体却有着超乎想象的质量，它就是由大质量恒星坍塌而成的星体——中子星。

它的密度有多大？“当与地球发生高速碰撞时，即使是一小勺的中子星物质，都会造成比恐龙灭绝更为严重的灾难。”中国科学技术大学天文系教授薛永泉告诉《中国科学报》。

试想一下，假如两个这样强势的天体合并在一起，又将会迸溅出怎样的火花？近日，薛永泉团队在《自然》发表的一项研究作出了回答。

致命天体的“相爱相杀”

“乒乓球大小的中子星物质的质量和地球上的一座山相当。”薛永泉告诉记者，中子星是大质量恒星演化到晚期时，由于内部热核聚变反应停止，压力支撑不住自身引力，而塌陷成一种直径约20公里的致密天体。它几乎全部由中子组成，密度极大。

“磁星是一种特殊的中子星，它的磁场特别强，是地表磁场的1014~1015倍。科学家计算，距离该磁星一千公里内，人类都无法生存。”薛永泉说。

天文学家发现，宇宙中的大多数恒星都是双星系统，如果双星系统都是大质量恒星，演化到后期则会发生超新星爆炸。在此过程中，会形成一个双中子星系统，而双中子星就像一对“相爱相杀”的情侣，彼此“身心消耗”、互相“折磨”却又挡不住致命的“吸引”。

“两个中子星互相绕转，释放引力波，轨道能量损失，于是越靠越近，最终在剧烈碰撞、释放引力波暴之后合二为一。”薛永泉说。

合并后的“结晶”

人们好奇，当这对“相爱相杀”的情侣终于合二为一、“修成正果”后，它们又会诞生出怎样的“爱情结晶”？

此前，主流观点认为，双中子星并合后的直接产物是黑洞。二者合并后会形成一个新的、质量更大的致密天体。如果这个新天体的质量超过中子星的质量上限，天体内部物质的压力将难以抗衡星体自身的引力，使得星体直接坍缩成为一个黑洞。

但也有学者对此提出质疑，南京大学教授戴子高等人曾预言，若中子星压强随核物质密度的变大而显著增加，则双中子星合并可以产生新的、特殊的中子星——大质量毫秒快转的磁星，其超高速自转产生的强大离心力可以帮助抵抗自身的引力。

“如果两个中子星的并合产物是大质量毫秒磁星，其所驱动的X射线辐射在空间分布是各向均匀的，若观测者视线方向与短伽玛射线暴喷流方向夹角较大，预期将会看到一个没有对应的短伽玛射线暴、光变曲线具有特征平台的X射线暂现源。”南京大学天文与空间科学学院教授罗斌在接受《中国科学报》采访时表示，这类天体将是双子星并合产生磁星的有力证据。

然而，中子星距离地球非常遥远，要想观测到双中子星合并的壮丽景象，尤其是X射线爆发信号，必须借助灵敏的X射线太空望远镜。

为此，薛永泉团队借助钱德拉X射线太空望远镜完成的、当今最深最灵敏的X射线巡天观测——七百万秒钱德拉南天深场，在1999年到2016年间，陆续对天空中精心选出的一小片约1/4满月大小的区域拍摄了102次，总计曝光七百万秒。

随后，研究团队对该系列巡天观测的数据进行分析，在完成于2015年3月的观测里，发现了以前只存在理论猜想中的新型X射线信号，该信号来自于约66亿光年外的新型X射线暂现源，其X射线辐射持续时间约7小时。

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。

有望观测引力波暴

“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。”谈及此次发现，薛永泉骄傲地说，即使没有看到短伽玛暴，人们也能通过磁星的X射线辐射，了解双中子星合并以及中子星自身更多的秘密。

他介绍，人们对中子星这种核物质的状态方程尚未了解清楚。该发现证实了双中子星并合的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和极高磁场强度等基本物理特质，深化了对中子星基本属性的认识。

“此外，双中子星合并会产生非常强的引力波暴。如果将来又发现类似的爆发现象，并且该爆发事件离我们足够近的话，我们可以将引力波观测与X射线观测数据结合，完全有可能更加深入地理解此类引力波爆发的奇观。”薛永泉说。