中⼦星是⼀种⾮常致密的天体。通常,它们的质量⽐太阳更⼤,⽽⼤⼩却只有⼀个城市的规模。当两颗中⼦星碰撞、并合,形成⼀个新的⿊洞或⼀个新的中⼦星时,会产⽣持续时间不超过2秒的伽⻢射线暴(GRB)。2秒以内的GRB被称为短GRB,虽然它们的持续时间不⻓,但释放的能量却很⼤,相当于银河系中所有恒星⼀年释放的能量。⼀颗中⼦星(蓝球)在⼀个⽓体盘的中⼼旋转,其中⼀些⽓体随着磁场(蓝线)流动到天体表⾯。
除了伽⻢射线,双中⼦星并合还会产⽣时空的涟漪——引⼒波,因此这样的事件属于⼀种多信使天⽂学事件。尽管天⽂学家已经努⼒地在研究双中⼦星并合事件,但仍然有许多谜题存在。
我们已经知道,当相互绕⾏的的中⼦星碰撞在⼀起时,会形成短GRB,它们最终会坍缩成⿊洞。但对于这些事件的精确发⽣顺序,却不甚了解。根据中⼦星的质量等细节,天⽂学家推测在某些并合事件发⽣后,有可能短暂形成⼀颗新的中⼦星。
这些新⽣的中⼦星的质量⾄少是太阳的两倍,半径为10~15千⽶,每秒旋转1000到2000次。快速的旋转可以短暂地防⽌它进⼀步坍缩,但这⼀过程的持续时间⾮常短,只能持续⼤约10~300毫秒,之后便会迅速坍缩成⿊洞。通过对这些并合进⾏计算机模拟,天⽂学家发现当这样的并合事件发⽣时,引⼒波的频率会突然上升到1000赫兹以上。但是这些信号太快、太微弱,现有的引⼒波天⽂台⽆法对其进⾏探测。
现在,在⼀篇于近期发表在《⾃然》杂志上的新研究中,⼀组研究⼈员通过搜寻由格雷尔斯⾬燕天⽂台、费⽶伽⻢射线空间望远镜、康普顿伽⻢射线天⽂台收集的700个短GRB数据档案,在两个短GRB中捕捉到了这种准周期振荡的特征。这两个事件是由康普顿伽⻢射线天⽂台于20世纪90年代初观测到的GRB 910711和GRB 931101B。
通过分析这两个事件在并合后的遗迹的振荡频率数据,他们发现观测结果与通过数值模拟预测的准周期振荡⼀致。这些新的结果⾮常重要,它们可以揭示中⼦星的许多特性,进⽽加速我们对宇宙中最极端区域的物理学的理解,⽐如其中⼀个特征是中⼦星的致密性。我们知道,⼀个乐器,⽐如⿎,所发出的声⾳的频率与它的⼤⼩有关:⿎越⼩,频率越⼤,⾳调越⾼;⿎越⼤,频率越⼩,⾳调越低。
类似的,⼀个更⼩、更致密的中⼦星并合后留下的遗迹的振荡频率,要⽐⼀个更⼤、密度更⼩的中⼦星在并合后留下的遗迹的振荡频率更⾼。因此,从振荡频率可以推测出中⼦星的致密性。