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中国科学家新发现,最深的X射线图像揭示了宇宙中的黑洞宝藏

Chandra南天区深场巡天
的X射线图像。图像的颜色代表了Chandra的X射线能量:低能为红色、中等能量为绿色、高能为蓝色。图像中的亮点大多数为活跃增长中的超大质量黑洞(质量范围约10万到100亿倍太阳质量之间)。整个巡天区域面积仅为满月的百分之六十,但天文学家们从这次最深的X射线巡天观测中发现了前所未有的高密度的超大质量黑洞:在满月大小的区域中能达到5000个,而在全天预计能有10亿个这样的黑洞。

随后,研究团队对该系列巡天观测的数据进行分析,在完成于2015年3月的观测里,发现了以前只存在理论猜想中的新型X射线信号,该信号来自于约66亿光年外的新型X射线暂现源,其X射线辐射持续时间约7小时。

南京大学天文与空间科学学院的罗斌教授领导了对该X射线深场巡天数据的处理与分析,成果发表在最近一期的《天体物理学增刊》上。南京大学天文与空间科学学院的顾秋生教授也是该项目组成员。该成果得到了天文学界的广泛关注,包括NASA
Chandra
X射线卫星中心、詹姆斯韦伯太空望远镜等单位对该成果进行了新闻发布,Chandra南天区深场巡天首席科学家美国宾州州立大学的Niel
Brandt教授在第229届美国天文学年会的新闻发布会上也做了通报。

“此外,双中子星合并会产生非常强的引力波暴。如果将来又发现类似的爆发现象,并且该爆发事件离我们足够近的话,我们可以将引力波观测与X射线观测数据结合,完全有可能更加深入地理解此类引力波爆发的奇观。”薛永泉说。

最近,一幅空前的X图像给了天文学家们研究宇宙中超大质量黑洞的绝好机会。这次有史以来最深的X射线天文观测,耗用了美国航空航天局Chandra
X射线太空望远镜总共约七百万秒或者81天的曝光时间。这一观测被称为Chandra南天区深场巡天。巡天区域面积仅为满月的百分之六十,但天文学家们从这次最深的X射线巡天观测中发现了前所未有的高密度的超大质量黑洞:在满月大小的区域中能达到5000个,而在全天预计能有10亿个这样的黑洞。

宇宙中神秘磁星的假想图。

(天文与空间科学学院 科学技术处)

该发现证实了双中子星并合的直接产物可以是大质量毫秒磁星,排除了一批核物质模型,明确了一系列关于中子星物态方程和极高磁场强度等基本物理特质,深化了对中子星基本属性的认识。

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他介绍,人们对中子星这种核物质的状态方程尚未了解清楚。

从该图像中发现的约百分之七十的X射线源是活跃增长中的超大质量黑洞,质量范围在10万到100亿倍太阳质量之间。这些宇宙中的巨兽贪婪地吞噬星系中的气体,气体在落向黑洞视界的过程中会被加热,从而产生明亮的X射线辐射。观测到的部分超大质量黑洞的X射线辐射来自极遥远的早期宇宙,距离地球约125亿光年。通过这些X射线深场数据,并结合其他太空望远镜比如哈勃的深场巡天数据,天文学家们将对这个大样本黑洞的数十亿年的宇宙学增长做系统性研究。

然而,中子星距离地球非常遥远,要想观测到双中子星合并的壮丽景象,尤其是X射线爆发信号,必须借助灵敏的X射线太空望远镜。

合并后的“结晶”

致命天体的“相爱相杀”

“磁星是一种特殊的中子星,它的磁场特别强,是地表磁场的10^14~10^15倍。科学家计算,距离该磁星一千公里内,人类都无法生存。”薛永泉说。

人们好奇,当这对“相爱相杀”的情侣终于合二为一、“修成正果”后,它们又会诞生出怎样的“爱情结晶”?

来源:中国科学报

此前,主流观点认为,双中子星并合后的直接产物是黑洞。二者合并后会形成一个新的、质量更大的致密天体。

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为此,薛永泉团队借助钱德拉X射线太空望远镜完成的、当今最深最灵敏的X射线巡天观测——七百万秒钱德拉南天深场,在1999年到2016年间,陆续对天空中精心选出的一小片约1/4满月大小的区域拍摄了102次,总计曝光七百万秒。

试想一下,假如两个这样强势的天体合并在一起,又将会迸溅出怎样的火花?近日,薛永泉团队在《自然》发表的一项研究作出了回答。

各种关键观测数据均表明,该信号极有可能源于双中子星合并之后产生的磁星。

在此过程中,会形成一个双中子星系统,而双中子星就像一对“相爱相杀”的情侣,彼此“身心消耗”、互相“折磨”却又挡不住致命的“吸引”。

但也有学者对此提出质疑,南京大学教授戴子高等人曾预言,若中子星压强随核物质密度的变大而显着增加,则双中子星合并可以产生新的、特殊的中子星——大质量毫秒快转的磁星,其超高速自转产生的强大离心力可以帮助抵抗自身的引力。

“乒乓球大小的中子星物质的质量和地球上的一座山相当。”薛永泉告诉记者,中子星是大质量恒星演化到晚期时,由于内部热核聚变反应停止,压力支撑不住自身引力,而塌陷成一种直径约20公里的致密天体。它几乎全部由中子组成,密度极大。

“如果两个中子星的并合产物是大质量毫秒磁星,其所驱动的X射线辐射在空间分布是各向均匀的,若观测者视线方向与短伽玛射线暴喷流方向夹角较大,预期将会看到一个没有对应的短伽玛射线暴、光变曲线具有特征平台的X射线暂现源。”南京大学天文与空间科学学院教授罗斌在接受《中国科学报》采访时表示,这类天体将是双子星并合产生磁星的有力证据。

宇宙中有一种天体,它和黑洞一样非常神奇,小小的身体却有着超乎想象的质量,它就是由大质量恒星坍塌而成的星体——中子星。

天文学家发现,宇宙中的大多数恒星都是双星系统,如果双星系统都是大质量恒星,演化到后期则会发生超新星爆炸。

图像创作:王国燕、何聪

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它的密度有多大?“当与地球发生高速碰撞时,即使是一小勺的中子星物质,都会造成比恐龙灭绝更为严重的灾难。”中国科学技术大学天文系教授薛永泉告诉《中国科学报》。

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“来自66亿光年外的光辉,为未来的引力波探测和中子星研究带来新的方向。”谈及此次发现,薛永泉骄傲地说,即使没有看到短伽玛暴,人们也能通过磁星的X射线辐射,了解双中子星合并以及中子星自身更多的秘密。

有望观测引力波暴

如果这个新天体的质量超过中子星的质量上限,天体内部物质的压力将难以抗衡星体自身的引力,使得星体直接坍缩成为一个黑洞。

“两个中子星互相绕转,释放引力波,轨道能量损失,于是越靠越近,最终在剧烈碰撞、释放引力波暴之后合二为一。”薛永泉说。