我院楊圣研究員團隊在《Nature》發(fā)表研究成果揭示中子星與黑洞的形成之謎
日前，天文學家發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量（大于10個太陽質(zhì)量）恒星的爆炸死亡與宇宙中最致密、最神秘的物體——黑洞和中子星的形成之間的直接聯(lián)系。此項研究工作由包括河南省科學院和以色列魏茨曼研究所在內(nèi)的的國際聯(lián)合團隊合作完成，我院引力波天文臺（籌）楊圣研究員參與其中，相關(guān)成果已發(fā)表在2024年1月11日的《自然》雜志上。
當大質(zhì)量恒星走到生命盡頭時，它們的核燃料被耗盡，導致核燃燒停止。這些恒星繼而在自身引力作用下迅速坍縮，引發(fā)了一場被稱為“超新星”的劇烈爆炸。天文學家認為在爆炸結(jié)束后，恒星中心會殘留一個被稱之為“致密殘骸”的超高密度核心。根據(jù)恒星的質(zhì)量大小，致密殘骸可能是一顆中子星（一茶匙中子星物質(zhì)在地球上重約一萬億千克）或是一顆黑洞（一種連光都無法逃離的物體）。天文學家在過去發(fā)現(xiàn)了許多暗示這些劇烈爆發(fā)事件的線索，比如在蟹狀星云中發(fā)現(xiàn)了一顆中子星。但是他們從未親眼見證這一過程的發(fā)生，這意味著超新星爆發(fā)產(chǎn)生致密殘骸的理論缺乏直接觀測證據(jù)，而本研究工作則直接展示了這一過程。
研究人員的幸運發(fā)生在2022年5月，當時南非業(yè)余天文學家Berto Monard在距離地球7500萬光年的星系NGC 157的螺旋臂上發(fā)現(xiàn)了超新星SN 2022jli。由于其亮度變化非常獨特，SN 2022jli一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起了專業(yè)天文學家們的廣泛注意。一般而言，在爆炸之后大多數(shù)超新星的亮度通常會隨時間逐漸減弱。但是SN 2022jli卻與眾不同：在爆發(fā)之后，它的亮度不是逐漸變暗，而是以12.4天為周期震蕩變化，本研究提出SN 2022jli的系統(tǒng)中存在多顆恒星可以解釋這種行為。實際上，大質(zhì)量恒星與伴星共軌的情況并不少見，這就是所謂的雙星系統(tǒng)，產(chǎn)生SN 2022jli的那顆恒星也不例外。然而，該系統(tǒng)引人關(guān)注的地方在于，超新星的劇烈爆發(fā)似乎并沒有摧毀其伴星，致密殘骸和伴星在超新星爆發(fā)之后繼續(xù)環(huán)繞彼此旋轉(zhuǎn)。此外，本研究還在SN 2022jli系統(tǒng)中觀察到了氫氣的周期性和伽馬射線的爆發(fā)。將所有線索綜合在一起，本研究認為當伴星與超新星爆炸拋出的物質(zhì)發(fā)生相互作用時，其富含氫氣的大氣會變的很蓬松。因而，超新星爆炸遺留下的致密殘骸在穿過伴星大氣時，會竊取這些氫氣，形成圍繞自身的熱物質(zhì)圓盤。這種定期的物質(zhì)竊取或吸積釋放了大量能量，這在亮度變化中被體現(xiàn)出來。盡管我們目前還無法觀察到致密殘骸本身發(fā)出的光，但本研究認為這種劇烈的吸積過程只能歸因于一個看不見的中子星或黑洞。
盡管本研究已確認了黑洞或中子星的存在，但關(guān)于這個神秘系統(tǒng)還有諸多未解之謎，包括致密殘骸的確切性質(zhì)及這個雙星系統(tǒng)可能面臨的結(jié)局等。下一代望遠鏡將有助于解答這個問題，使天文學家能夠揭示這個獨特系統(tǒng)前所未有的細節(jié)。
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06787-x