不期而遇的中子星

作者: Zwicky

来源: 原理

发布日期: 2015-11-07

文章探讨了中子星的性质、碰撞后的可能结果以及科学家如何通过模拟和观测来了解这些现象。中子星是恒星演化的最后产物之一,当两个中子星碰撞时,可能合并成更大的中子星或塌缩成黑洞。科学家通过模拟和观测伽玛射线暴来研究这些碰撞,并试图确定中子星的最大质量。

中子星是恒星演化的最后产物之一,是致密星的一种。它相当于一个太阳被压缩到20千米范围,其磁场强度是地球磁场的万亿倍。当一个巨大的恒星在一场超新星爆发中结束自己的生命时,它的核心会坍缩形成中子星,也就是说恒星中的所有质子和电子都结合成中子。试想一下,在浩瀚的宇宙之中,有两个中子星相遇,它们之间相互碰撞结果会是什么?有两种可能:一是他们会合并形成一个更大的中子星,二是他们将塌缩形成一个黑洞。

这就勾起了天文学家的好奇心,究竟是什么因素决定了他们碰撞之后的命运?从这个问题又导致了另一个相当有趣的问题:中子星能有多大?这或许听起来很奇怪,但是从数学的角度来说,我们并不能完全确定什么是中子星。更精确的说,我们不知道中子星在什么情况下会达到它质量的上限,一旦达到质量上极限就会塌缩形成我们熟知的黑洞。其实,科学家都无法确定两个中子星在宇宙中的碰撞频率。

科学家猜测这样的事件在十亿年间估计就发生过1到10次。这么偶然的事件,想要搞明白还真是伤透了脑筋。幸运的是,大自然总是会给我们留下一点线索。从观测的角度而言,我们可以区分出两种不同的结果。当一对中子星经过碰撞而塌缩成黑洞的时候,它们会在星系里喷射出大量的伽玛射线暴。反之,如果它们是合并成一个更大的中子星,那么我们会看到相同的喷射将被重子充满,并且被封闭使得无法产生伽马射线暴。

然而,这也正是不确定性的来源。科学家利用反应灵敏的望远镜快速的对星系中疑似伽玛射线暴的事件进行追踪,希望有更多的发现。由于两个中子星的碰撞会产生引力波,所以对伽玛射线暴的发生频率进行监测也会进一步加强像LIGO和LISA探测器对引力波的搜索。通过上述的这些未知,你大概也意识到了我们很难对碰撞中子星的命运做一个定论。到了这一步,科学家不得不使出常用的伎俩:模拟!

一个由Chris Fryer领导的研究团队正在做一个“种群研究”模拟,Chris Fryer模拟了不同性质的中子星,并把这些不同中子星组合并让碰撞,看看到底会发生什么。模拟出来的所有可能的结果,必然是相当复杂的!但是,底线是要坚信现有的两个理论:中子星碰撞发生的频率和观测到伽玛射线暴的比率,那么当中子星达到一个最大的质量后就会塌缩成黑洞。

通过简化的计算可以得出这个最大质量大约是2.3到2.4倍太阳的质量,除非中子星非常或者快速旋转或许可以突破质量上限。听起来好像没什么,但其实很酷!因为只通过观测中子星间的碰撞是形成黑洞并喷射伽马射线爆的频率,或是“温和”的合并成一个较大的中子星,我们对描述中子星就有了新的限制。最棒的部分是当我们从LIGO和其它新的天文台获得更多精确的数据时,我们可以通过这些限制更好的了解中子星到底能成长成多大。

最后,小编想给你来点更烧脑的。如果不是中子星之间的碰撞,而是中子星和黑洞之间的碰撞,事情就更有意思了。在特定的条件下,一个中子星可以“吃掉”一个黑洞,其结果就是这个组合看起来像一颗恒星。

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