中子星,你是否存在,你又在哪裡?

超新星1987A碎片中間的中子星在哪裡?這是現代天文時代最大的謎團之一。在1987年2月23或24日的晚上(恰好是34年前的今天)一顆恆星迸發出的光抵達了地球。這顆被稱為超新星1987A的恆星,來自一個距離銀河系只有16萬光年遠的衛星銀河系——大麥哲倫星雲(大麥哲倫星系)。這樣的距離近到足以讓我們用肉眼觀察到它,並使它成為了歷史上研究最為深入的天體之一。

瑪士撒拉恆星雖然沒有宇宙久遠, 另一種令人頭大的光學錯覺:

但它足夠古老這些球體是什麼顏色的?

爆炸的恆星質量是巨大的,大約是太陽質量的20倍。像這樣的恆星到達生命盡頭時,在它周圍會生成一系列強大的氣體風。大約幾萬年後,恆星的核心坍塌,引發了巨大的爆炸,炸燬了它的外層:超新星。

大質量恆星的核心坍塌既可以成為一個黑洞,也可以成為一個非常密集的中子星。在上述情況下,它應該形成後者。

新生的中子星具有強大的磁場,旋轉迅速。它們像燈塔光束一樣噴射出高能輻射束,只要它們從我們身邊經過,我們就可以看到。我們也會聽到這些輻射發出像脈衝一樣的尖叫,所以這些新生的中子星被稱為脈衝星。這些聲音通常是很明顯的(就像一個嬰兒在飛機上尖叫一樣,且它的來源並不難發現)。但在這樣的情況下,儘管經過了三十多年的密集搜尋,卻仍然沒有發現中子星。

然而,在過去的幾年裡,證據逐漸浮出水面。最近人們看到了一堆可能來自小中子星的無線電輻射,但這並不是百分百確定的。現在,天文學家們已經查閱了2012-2014年一些x射線觀測結果的存檔,發現它們也指向x射線來自中子星這一可能性。

一顆具有強大磁場的旋轉中子星拍打著它周圍的亞原子粒子。

藝術作品源自:美國宇航局/斯威夫特/奧羅雷·西蒙內特,索諾瑪州立大學。

X射線的來源,衝擊波?脈衝星風?

x射線是光的一種形式,就像我們看到的光一樣,但它具有更高的能量。同時它們的產生需要依託強大的事件。在一顆年輕的超新星中,它們可能是由於在爆炸中不斷膨脹的碎片撞擊到外部氣體所產生的衝擊波,也可能是在中子星異常猛烈的磁場的作用下加速產生的被稱為脈衝星風星雲的強烈粒子波。

觀測顯示高能x射線來自超新星1987AZoom周圍的碎片

上圖: 觀測結果顯示,超新星1987A周圍的碎片產生了高能x射線(左圖),在其中的一圈氣體是由於撞擊碎片而釋放出低能量的x射線(右圖)。

下圖: 在環的中心可能是它周圍的脈衝星激發物質。

天文學家從錢德拉x射線天文臺和核光譜望遠鏡陣列兩個天基觀測臺觀測到了x射線。在錢德拉x射線天文臺觀測到的是相對低能的x射線,而在核光譜望遠鏡陣列觀測到的則是有更高能量的x射線。他們發現,兩個天文臺的x射線光譜和x射線的亮度與能量相結合後顯示,低能x射線與爆炸波的原理是一致的。但如果是這樣的話,高能x射線就會非常少。然而,光譜卻清晰地顯示出比預期更多的高能粒子。

這更傾向於認為這些x射線來自於釋放出更多高能x射線的脈衝星風。光譜本身並不是決定性的。我們也掌握了超新星內部發生的物理情況,而且將光譜與脈衝星風的物理性質相匹配要比將光譜與衝擊波相匹配更容易。雖然這不是決定性的,但是它讓我們更加相信在所有這些殘骸中間有一顆中子星的存在。

還有更好了解的方法。所有圍繞爆炸中心的密集物質都在某種程度上擋住了我們的視線。隨著時間的推移,這些物質會膨脹,然後密度會降低。就像霧消散一樣,然後這應該可以有更多的高能x射線透過。如果我們看到更高能量的x射線變得更亮,這將非常有利於脈衝星風建模。相反,如果它們變得更暗淡,這就有利於爆炸波理論(隨著時間的推移,爆炸波會消失得更快)。希望未來的NuSTAR觀測能解決這個問題。

在蟹狀星雲的中間,一個脈衝星(中心)正在噴出輻射和亞原子粒子的猛烈風。

來源:X射線:美國宇航局/CXC/SAO;

光學:美國宇航局/科學系統;

紅外線:美國宇航局-JPL-加州理工學院

天文學最大的謎團,中子星神秘的面紗,即將揭開!

我們看到中子星(脈衝星)在許多超新星殘骸的中心(如著名的蟹狀星雲脈衝星,或維拉超新星殘骸中的脈衝星),它們是爆炸中迅速膨脹的碎片形成和演化的一個重要因素。超新星1987A周圍的氣體,在它死前被恆星吹過,有點奇怪,形狀像一個巨大的沙漏,中間有一個密集的環。實際的恆星碎片處於這一切之中,並將在未來幾個世紀內撞擊到這種氣體中。

超新星SN 1987A發生在一個附近星系的恆星和氣體密集的區域。在這個廣域拍攝中,你可以看到三環氣體形成星際沙漏星雲的輪廓。

來源:美國宇航局、歐空局和R.基什內爾(哈佛-史密森天體物理學中心、戈登和貝蒂·摩爾基金會)和P·查利斯(哈佛-史密森天體物理學中心)

如果有脈衝星在裡面,其巨大的能量儲存將加速碰撞中的材料,就像撞上汽車中的氣體一樣。如果我們想要了解這種相互作用將如何發生——我們做到了,因為它是幾個世紀以來最接近的超新星——那麼我們需要知道這一切中間是否有一顆中子星,以及它在做什麼來增加混亂。希望我們很快就能知道。

三年後,新發射的哈勃太空望遠鏡使SN1987A成為其首要目標之一:我用這些和隨後的觀察來獲得我的天文學博士學位,所以這個話題離我很近。

BY: Phil Plait

FY: NGC2237

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