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    五个令人难以置信的中子星合并问题

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      爱因斯坦

      8月17日来自中子星合并的光学信号和引力波信号都到达了地球,这是人类第一次探测到这两颗中子星的合并。在LIGO和处女座探测器观测约为30秒的时间,持续时间是早期引力波信号的100倍以上。在1.3亿光年之外这是迄今为止最接近的直接引力波信号。

      五个令人难以置信的中子星合并问题

      当中子星合并时,可以同时发出引力波和电磁信号,而像黑洞只有引力波信号。但合并的细节相当令人费解,因为理论模型与我们所观察到的并不完全相符。图片版权:Dana Berry / Skyworks Digital, Inc

      尽管这些观测结果产生了一组巨大的信息,从一束射线爆发仅仅1.7秒,就在与一种光学和紫外线相对应的一种光学和紫外线相结合的过程中,这一过程持续了好几天,直到一个无线电余光消失,一个新的挑战出现了——使所有的理论都变得有意义。

      五个令人难以置信的中子星合并问题

      光学望远镜能观察爆炸产生的光亮,并几乎实时地消失。图片版权:P.S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam

      (作者)我和洛斯阿拉莫斯国家实验室的克里斯·弗莱尔(Chris Fryer)坐在一起,他是超新星、中子星和伽玛射线爆发研究的专家,他在这些物体和事件的理论方面工作。几乎没有人期望LIGO和处女座在这个项目的早期阶段就会看到合并,仅仅是在第一次成功发现之后的两年,在达到设计敏感性之前。然而不仅看到了这一点,还能够利用这些数据准确定位出合并的准确位置,从而产生了难以置信的多波长跟踪,给我们带来了如此多的惊喜。

      有了这么多的信息,很多令人惊讶的是,从这个发现中有几十篇新的论文试图弄清楚我们所看到的事件,以下是发现提出的五个最大的新问题。

      五个令人难以置信的中子星合并问题

      两中子星的合并插图,这些天体的事件率仍然未知,但第一个直接的发现表明它们远远高于先前的估计。图片:NASA

      TOP1、中子星发生合并的速率是多少?

      在此之前有两种方法来估计两颗中子星的合并频率:从星系中的双中子星(比如脉冲星)的测量,以及恒星形成、超新星和它们的残余的理论模型。这给了天文学家一个平均估计大约100次这样的合并,每年在一个立方十亿秒的空间内。

      由于观察到这个事件,现在有了我们的第一个观测速度估计,它比我们预期的要大十倍。我们认为在看到任何东西之前需要LIGO来达到它的设计灵敏度(只有一半),然后在至少3个探测器的位置上精确定位是不可能的。然而我们不仅提前观测到了它,还在第一次尝试中本地化了。所以现在的问题是是否只是因为看到了这个事件而感到幸运,或者真实的事件率真的要高得多?如果是这样,那么我们的理论模型又有什么错呢?虽然LIGO在接下来的一年里都在升级,但理论家们会有一些时间来尝试找出原因。

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      在中子星的合并后,围绕着合并后物体的圆盘负责大量的喷出物,如果中心残余能适当地驱动它。图片:NASA

      TOP2、是什么导致合并并抛出大量物质?

      现在的最佳理论模型预测对于中子星和中子星的合并,在紫外线和光学部分的光谱中会有一个明亮的光信号,大约一天时间然就会变暗,消失。但相反,它持续了两天才开始变暗,这告诉我们在这次合并中,比我们预想的要多得多。虽然这种明亮的发光持续了很长时间,表明大约有30到40个木星质量的物质被从环绕这些星体的上抛出,最好的模型的估计值从一半到只有八分之一。

      为什么这些喷出物如此不确定?为了模拟这样的合并,要合并许多不同的物理,包括:流体力学,广义相对论,磁学,核密度物质的状态方程,中微子的相撞等等。各种各样的代码在不同程度的复杂程度上对这些组件进行建模,我们不完全确定哪些组件对这些风和ejecta负责。这对理论学家来说是一个挑战,现在必须要知道第一次测量了中子星和中子星的合并……得到了相当大的惊喜。

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      在合并的最后时刻,两颗中子星不只是产生引力波,还在电磁波谱上发生的灾难性爆炸。无论是中子星还是黑洞,抑或是介于两者之间,科学家们仍在争论不休。图片:University of Warwick / Mark Garlick

      TOP3、合并产生了一个超级大的中子星吗?

      为了从中子星的合并中获得足够的质量损失,需要通过这次合并的产物产生足够的能量来从周围的圆盘中释放出大量的物质。根据观测到的引力波信号,这一合并产生了一个2.74太阳质量的物体,它明显高于我们所期望的非旋转中子星的2.5倍太阳质量最大值。也就是说,如果核物质像我们期望的那样运动,那么即使两个中子星的吸入应该导致形成一个黑洞。

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      中子星是宇宙中最密集的物质集合之一,但它们的质量有一个上限,超过界限中子星就会进一步坍缩形成一个黑洞。图片版权:ESO/Luís Calçada

      合并后如果这个对象的核心立即崩溃形成一个黑洞的条件,但是不会有喷出物!相反如果它变成了一个超级大质量的中子星,它应该是非常迅速的旋转,因为大量的角动量可以将最大质量限制提高10 – 15%。如果有一个超级大质量的中子星并旋转得如此之快,天文学家们就会期待它是一个磁星,它有着强大的磁场,比地球表面上的磁场还要强大千万亿倍。但是磁星的自转速度非常快,在大约50毫秒的时间内就会坍缩成一个黑洞,而驱动风喷出物的磁场、粘度和加热的详细计算表明,需要数百毫秒来重现这些观测结果。

      要么有一个快速旋转的中子星,因为某种原因不是磁星,或者有几百毫秒的喷出物,而物理并没有像我们认为的那样增加。不管怎样很有可能,至少在一段时间内有一个超大质量的中子星,而今天也有可能是一个黑洞。如果这两种情况都是真的,那就意味着这将是我们所发现的最大规模的中子星或最大的黑洞!

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      当两颗中子星合并时,就像在这里模拟的那样会产生伽马射线暴流以及其它电磁现象。但是无论产生的是中子星还是黑洞,以及有多少紫外线/光学对应物产生,都应该是强质量依赖的。图片版权:NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla

      TOP4、如果这些中子星的质量更大,那么这次合并是否会“隐形”呢?

      中子星的质量是有限制的,就像把越来越多的物质加到它们上面一样直接变成黑洞。~ 2.5倍太阳质量限制的旋转中子星意味着如果合并的总质量下几乎可以肯定风与中子星合并后将导致一个更强大、更长的紫外线和光学信号比这次观测到的这个事件大。另一方面,如果在大约2.9倍的太阳质量以上,那么应该在合并后立即形成一个黑洞,就没有紫外线和光学对应。

      不知何故,第一个中子星和中子星合并在这个介于两者之间的范围内,可以有一个超打质量的中子星,在短时间内产生的喷出物和紫外线/光信号。低质量的合并会形成稳定的磁星吗?在这些可见光波段中,它们的融合是无形的吗?这三类合并的产物有多罕见或常见——普通中子星、超大型中子星、或直接黑洞?再过一年LIGO和处女座将设计的更加敏感开始寻找答案答案,这意味着理论家们只有一年的时间来让他们的模拟得到更好的预测。

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      两颗合并的中子星概念图。涟漪的时空网格代表着从碰撞中发出的引力波,而窄的光束则是在引力波(被天文学家发现的伽马射线暴)后几秒钟射出的伽马射线。我们现在知道伽马射线喷射机制并不是完整的事件。图片版权:NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

      TOP5、是什么原因导致伽马暴在如此多的方向上都如此明亮,而不是如一个圆锥体中的角点?

      这个有点让人挠头。一方面这一事件证实了长期以来一直被怀疑但从未被证实的事实:合并中子星确实会导致短的伽马射线爆炸。但我们一直期待的是伽马射线爆发只会发出伽玛射线,直径大约10到15度。然而从合并的方向和引力波的大小来看,伽马射线爆炸偏离了我们视线范围的30度,但我们仍然看到了一个重要的伽马射线信号。

      我们所知道的伽马射线爆发的性质正在发生变化。虽然有助于引导未来对合并中子星的观测,但理论家的挑战在于解释为什么这些物体的物理与我们的模型所预测的如此不同。

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      这种颜色编码的元素周期表表示元素是由它们如何在宇宙中产生的。氢和氦起源于大爆炸。铁的重元素一般都是在大质量恒星的核心形成的。从GW170817中获取的电磁辐射证实,比铁重的元素大量合成中子星碰撞后的结果。

      这些重元素有多不透明/透明?当谈到元素周期表中最重元素时,我们现在知道中子星的合并会产生绝大多数的元素。但是为了从超过1亿光年的时间里获得这些重元素的光谱,还必须了解它们的不透明。这包括理解原子轨道上电子的原子物理跃迁,以及它在天文环境中的表现。现在第一次有一个环境来测试天文学与原子物理的重叠,以及后续的观察和随后的合并,都应该使我们能够了解不透明度和透明度问题的答案。

      五个令人难以置信的中子星合并问题

      现在所知道的伽马射线爆,已经知道它的起源可能也是是合并的中子星,它将物质排放到宇宙中,创造出已知的最重元素,我们认为(在这种情况下)也会产生一个黑洞。图片版权:NASA / JP

      中子星与中子星的合并一直都在发生,这是非常有可能的,当LIGO达到其设计灵敏度时,我们每年可能会找到12个。但也有可能这一事件是非常罕见的,我们很幸运每年能看到其中的一个,即使是在当前的升级之后。已经知道中子星非常接近于一个点光源(或者引力波信号会偏离),合并中子星确实产生短的伽马射线爆发,而且有很多物理学的工作,以正确地模拟这些合并工作。在接下来的十年里,理论家和观察者们将努力寻找这些问题的答案,而且很有可能是我们还没有得到足够的信息。

      天文学的未来在我们身上。引力波现在是另一种完全独立的测量天空的方式,通过将引力波的天空与传统天文学联系起来,准备回答一些我们甚至不知道应该在之前前提出的问题。

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