关于中子星的新发现让我们知道原来喷流没那么简单

cbj发表于2018-10-25 00:00:00

就在仙后座“W”左翼再左侧一点,有一个由一颗轨道周期为27天的中子星和一颗质量更大的快速转动的恒星组成的双星系统。 

我们就是从这里探测到了无线电波喷流——这种物质以近光速运动,并发出无线电波,其余细节发布在今日的《自然》中。 

但我们发现的现象却是现有理论预测之外的。这颗中子星有非常强的磁场,但它所发出的喷流却与之前观测到的磁场比它弱1000倍的天体系统相当。 

中子星是致密的恒星遗骸,相当于一点五倍太阳质量的恒星被压缩到直径十千米的球体内。 

如此巨大的密度(接近于原子核的密度)使它们成为了密度最大的能支撑自身引力的物体。如果它们的密度再大一些,就会坍塌成为黑洞。 

一个Swift的发现 

这个双星系统称作Swift J0243.6+6124,在2017年10月3日被NASA的Neil Gehrels Swift天文台首次发现。这颗叫做Swift的人造卫星不断地扫描着天空的每一个角落,探寻新的明亮的X射线放射源。 

在这个双星系统的位置,一个明亮的X射线爆发被探测到之后,全世界的天文学家都把他们的天文望远镜对准了放射源所在的位置,试图找到产生射线的物体。 

结果原来是中子星的强大引力捕获了另一颗高速旋转恒星甩出的物质。许多年来,这些气体堆积成盘状,绕着这颗中子星旋转着。 

当有足够的物质聚集时,它们就立即向中心移动。我们对从山坡上滚下的重物逐渐加速的现象比较熟悉。这日常现象背后的物理原理是重力势能转化为动能。 

同样的道理,这些物质的引力势能在它们移向中子星的过程中被释放了出来。这种能量一开始被转化为动能,最终被转化为X射线辐射,被Swift卫星探测到。 

进一步观测 

由阿姆斯特丹大学博士生Jakob van den Eijnden带领的团队也在这个放射源处探测到了无线电波。他们用了新墨西哥州Karl G Jansky甚大阵列天文台。 

无线电波释放的强度由X射线源的强度决定,在爆炸后几个月里由强变弱。由无线电强度的变化,我们推断出它是来源于喷流。 

喷流是很细的物质和能量束,往外运动的速度接近光速。当物质朝着像黑洞或中子星这样的中心物体下坠时,它们会带走这些物质释放的一部分引力势能。 

喷流把这些能量存在周围,一般在离发射点很远的地方。 

在一些只比太阳重几倍的中子星和黑洞中,这些能量能被传送到几光年远的地方。对于处于星系中心的超大质量黑洞,喷流能把能量传送到距星系中心几十万光年远的地方。 

喷流在一百年前由天文学家Heber Curtis首次发现,他发现了一道由M87星系发出的“奇怪笔直射线”。由于无线电波和X射线天文学在上世纪中叶的出现,喷流得到了广泛的研究。 

当一个重物坠落到一个致密的中心物体上时,喷流就产生了,这些中心物体包括从恒星到白矮星,中子星和黑洞的各种天体。唯一的例外是磁场比太阳强万亿倍的中子星。 

与理论不合 

尽管经过了数十年的观察,这些系统中还是没有发现喷流。这种现象可能表明喷流的发射受到了强磁场的阻止。 

我们探测到了一个来自强磁场中子星的喷流,这驳斥了过去几十年科学家所采用的理论。但我们仍需重新检查我们关于喷流如何产生的理论。 

解释喷流如何产生的理论主要有两个。如果一个磁场穿过一个旋转黑洞的事件视界,那么黑洞的转动动能就能够被提取,进而供给喷流。 

但由于中子星没有事件视界,它们的喷流被认为是从盘状气体内部的旋转磁场中发射出来的。粒子可以沿磁场线被扔出来,就像你在越过头顶的地方甩出一颗穿在线上的珠子一样。 

如果一颗中子星的磁场足够强,它应该能够阻止物质盘过于接近中子星,那么第二种机制就不可能行得通。所以我们需要另一种解释。 

最近的理论研究表明,在一定条件下是有可能从中子星的转动动能中提取能量发射喷流的。 

在我们的例子中,这有可能是由物质向中心坠落的高速造成的。这也能解释为什么我们看到的喷流比其他磁场更弱的中子星要弱大约100倍了。 

无论解释如何,我们的成果是一个很好的科学的运作方式的例子:首先发展理论,接下来和实验对照,再根据新的实验结果进行修正。 

它也给我们提供了一系列新的发射源来检验磁场是如何发射喷流的,帮助我们理解这种宇宙中非常重要的反馈机制。 

 

作者介绍: 

James Miller-Jones 

澳大利亚柯廷科技大学副教授 

  

(翻译:费哲妮;审校:刘博尧) 

  

原文链接:https://theconversation.com/unexpected-find-from-a-neutron-star-forces-a-rethink-on-radio-jets-103843 

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