守得“云”開見磁星

薛永泉

“一鉤新月天如水”，晴朗的夜空在人們的想象中，往往是寂靜祥和的。然而，在天文學(xué)家眼里，黑暗的宇宙卻到處埋藏著強(qiáng)力的定時(shí)炸彈，隨時(shí)隨地會猛然爆發(fā)。尤其是在人們開始在X射線、伽馬射線等極高能量的電磁波段觀察宇宙時(shí)，眾多的爆發(fā)事件就像四處綻放的煙火一樣熱鬧而迷人。這些爆發(fā)事件到底是什么？這個(gè)問題從20世紀(jì)60年代起就吸引了天文學(xué)家的好奇心。

近日，在國際著名期刊《自然》雜志上，一項(xiàng)由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員主導(dǎo)的研究，就介紹了一個(gè)極有可能是由雙中子星并合產(chǎn)生的有趣的X射線爆發(fā)事件，并證實(shí)了其并合產(chǎn)物是幾十年前科學(xué)家預(yù)言的磁星。

1.存在于理論中的強(qiáng)磁場天體

中子星是比太陽還要重八倍以上的恒星死亡后留下的致密星體，它們體積超小，密度卻極高。由于宇宙中的恒星喜歡扎堆出現(xiàn)，兩個(gè)中子星攜手相伴的情況也時(shí)有發(fā)生。相互繞轉(zhuǎn)的雙中子星產(chǎn)生的引力場快速變化，就像是在不斷地?cái)嚢柙酒届o的時(shí)空，向外泛起漣漪。隨著能量的消耗，雙中子星會慢慢越靠越近，最終在劇烈碰撞、釋放引力波暴之后合二為一，形成一個(gè)新的質(zhì)量更大的致密天體——2017年8月17日激光干涉引力波天文臺（LIGO）等就首次探測到了雙中子星并合引力波事件的信號。如果這個(gè)新天體的質(zhì)量超過中子星的質(zhì)量上限，那么天體內(nèi)部物質(zhì)的壓力將難以抗衡星體自身的引力，使得星體直接塌縮成為一個(gè)黑洞。但天文學(xué)家認(rèn)為，在塌縮之前它很有可能會先形成一個(gè)更加有趣的天體——磁星。

磁星，顧名思義，是一個(gè)具有超強(qiáng)磁場的中子星，其表面磁場比目前人類實(shí)驗(yàn)室能制造出來的最強(qiáng)磁場還強(qiáng)上億倍。這樣的磁星可以擁有超高的自轉(zhuǎn)速度，每秒可自轉(zhuǎn)幾百上千周。由于高速自轉(zhuǎn)，即使磁星的質(zhì)量超過中子星質(zhì)量上限，其離心力也能幫助它短期抗衡強(qiáng)大的引力而不會進(jìn)一步塌縮成黑洞。

除了留下中心的磁星，并合事件還會在周邊留下大量的拋出物質(zhì)。磁星具有強(qiáng)引力，快速吸入拋出物質(zhì)，并在兩極方向產(chǎn)生一個(gè)只持續(xù)幾秒的超高速噴流。如果噴流方向恰好對著地球，就如同它向我們開了一炮，可以讓我們在短時(shí)間內(nèi)探測到大量的高能量伽馬射線，這就是被稱為短伽馬暴的高能天體物理事件。

早在20世紀(jì)90年代初，科學(xué)家就提出了磁星的設(shè)想。之后它逐漸被學(xué)界廣泛接受，并用于解釋一些特殊類型的中子星。然而時(shí)至今日，科學(xué)家仍未在雙中子星并合之后探測到它的“真身”。

2.“烏云”遮蔽新天體輻射

由于雙中子星并合既能產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波暴，也能產(chǎn)生短伽馬暴，所以天文學(xué)家非常希望在探測到引力波輻射以后，還能在對應(yīng)的方向看到一個(gè)短伽馬暴，從而進(jìn)一步研究并合事件中的各種物理過程，找到磁星。然而，由于噴流“開炮”的方向是隨機(jī)的，它恰好對準(zhǔn)地球的可能性其實(shí)很小，所以即使引力波探測器已經(jīng)探測到不少的引力波事件，想觀測到一個(gè)對應(yīng)的短伽馬暴卻很難。

但天文學(xué)家找到了另一種可能性。在理論預(yù)言中，磁星有一個(gè)重要的特點(diǎn)：較差自轉(zhuǎn)，即磁星的內(nèi)部與外部的自轉(zhuǎn)速度并不一致，靠近中心區(qū)域的自轉(zhuǎn)速度更快。這就會不斷扭曲穿過磁星內(nèi)部的磁力線，使其最終浮出磁星表面并斷裂，釋放出大量能量從而減緩磁星自轉(zhuǎn)，而還在磁星內(nèi)部的磁力線則會重新連接并開始新一輪的扭轉(zhuǎn)。這種磁重聯(lián)過程能向四面八方發(fā)出大量的X射線波段至可見光波段的輻射。這樣，即使沒有看到短伽馬暴，科學(xué)家仍然有可能看到一個(gè)強(qiáng)烈的爆發(fā)事件，只不過是在X射線、可見光等波段。

既然這樣的輻射是朝向四面八方發(fā)射的，那么是不是就應(yīng)該很容易被觀測到呢？答案也是否定的。此前，人們還沒有發(fā)現(xiàn)過任何有類似特征的孤立X射線爆發(fā)。這是因?yàn)殡p中子星并合中產(chǎn)生的拋出物質(zhì)會形成一個(gè)圍繞著新天體的包層，擋住了來自中心的大部分輻射。看來，要想不通過短伽馬暴而僅靠探測X射線爆發(fā)來發(fā)現(xiàn)雙中子星并合事件、尋找磁星，還真是困難重重啊。

不過，理論和數(shù)值模擬告訴我們，在中子星并合形成的磁星吸收周邊物質(zhì)的時(shí)候，劇烈的吸積過程除了形成噴流以外還會產(chǎn)生高速的彌漫星風(fēng)，而磁星周邊強(qiáng)大的磁場會成為這些星風(fēng)的向?qū)В瑢⑺鼈儗?dǎo)向兩極。于是這些高速星風(fēng)在磁星形成之初就會快速地吹走磁星兩極附近的遮擋物質(zhì)，打開一個(gè)較大的通道，后續(xù)的X射線輻射就能借此沖破障礙。當(dāng)我們的視線對著這個(gè)通道時(shí)，就有可能看到預(yù)言中的沒有對應(yīng)短伽馬暴的孤立的X射線爆發(fā)，找到磁星。

3.七百萬秒曝光中搜尋那次閃光

中科大研究團(tuán)隊(duì)4月11日在線發(fā)表于《自然》上的研究，正是報(bào)導(dǎo)了首例這樣的事件。

錢德拉空間望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最先進(jìn)的X射線探測器之一。在1999年到2016年間，它陸續(xù)對天空中精心選出的一小片僅有約1/4滿月大小的區(qū)域拍攝了102次，總計(jì)曝光7百萬秒。中科大研究團(tuán)隊(duì)在研究該天區(qū)中天體的光變特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)了2015年3月一個(gè)天體的X射線輻射從無到有，在短時(shí)間內(nèi)增亮了上千倍。他們將這個(gè)爆發(fā)事件命名為CDF-S XT2（簡稱XT2）。而在隨后的數(shù)據(jù)搜尋中，他們發(fā)現(xiàn)在XT2爆發(fā)前后，世界上的伽馬射線探測器都沒有記錄到對應(yīng)的伽馬暴。

通過分析XT2的X射線數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，它在爆發(fā)后約2000秒內(nèi)亮度基本不變，隨后則快速變暗直至消失。而得益于錢德拉空間望遠(yuǎn)鏡的超高角分辨率，研究人員將XT2定位于距離地球約66億光年的一個(gè)星系的外圍部分。這些特征都符合科學(xué)家對磁星的理論預(yù)期。研究人員估計(jì)了觀測到類似XT2爆發(fā)事件的頻率，發(fā)現(xiàn)與此前根據(jù)引力波探測結(jié)果可靠估算得到的雙中子星并合事件的發(fā)生頻率吻合得很好，從而再次證明了XT2源于雙中子星并合的合理性。

根據(jù)上述分析，研究人員相信它就是一直被苦苦追尋的大質(zhì)量毫秒磁星X射線爆發(fā)。這讓天文學(xué)家興奮不已。長久以來只存在于理論預(yù)言中的現(xiàn)象，如今終于出現(xiàn)。XT2的發(fā)現(xiàn)證明了雙中子星并合能夠產(chǎn)生磁星的理論正確性，同時(shí)幫助天文學(xué)家更為深入地了解了中子星的內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)。而且，這一發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家在未來的引力波事件探測中，擺脫對伽馬暴的依賴，通過X射線觀測直接獲知其來源天體的物理信息。

略為遺憾的是，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)時(shí)間較晚，研究人員錯(cuò)過了在XT2爆發(fā)之后立刻調(diào)用其他望遠(yuǎn)鏡對它進(jìn)行后續(xù)觀測的機(jī)會，所以無法得到爆發(fā)過程中更多的其他信息。但可以期待的是，在未來的X射線巡天望遠(yuǎn)鏡的監(jiān)測中，科學(xué)家將有機(jī)會看到更多的類似爆發(fā)事件。XT2作為宇宙深處磁星X射線輻射沖過層層云靄到達(dá)我們的曙光，將給未來的引力波探測、中子星研究帶來新的希望。