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宇宙中磁性最强的天体又起新争议

时间: 2019年11月04日 | 作者: Zwicky | 来源: 原理
高度磁化的中子星会释放出无可估量的X射线和伽马射线,它们就是磁星。



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超新星残骸R103的中心是一颗磁星。| 图片来源:NASA/CXC/University of Amsterdam



1.

对于我们而言,夜空中那些闪烁的繁星似乎是永恒存在的。然而,就像地球上的生命一样,恒星也有其生命周期。那些比太阳质量大8倍的恒星,会在超新星爆炸中结束生命,并留下两个产物:中子星(质量更大的会形成黑洞)和超新星遗迹。由于这两个物体都有一个共同的起源,并且是在一次爆炸中产生的,因此一同研究它们将有助于更好地理解这些物体及其起源。


中子星隐藏着许多的秘密,它们并非都一样,有的中子星非常难以描述。有一些中子星具有很强的磁场,被称为脉冲星,会向空中释放出强烈的光束。有的则拥有比正常高出很多倍的磁场——是太阳磁场强度的千万亿倍。这些高度磁化的中子星会释放出无可估量的X射线和伽马射线,它们就是磁星。目前,天文学家在银河系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系中发现了大约30个磁星和磁星的候选。


一直以来,研究人员都在为这些磁场是如何形成而苦思冥想,争论不休。最近,一项关于磁星的新研究所得到的结果似乎可以将一个广受支持的理论排除在外。


2.

一开始,天文学家认为磁星是在超新星爆发的过程中获得磁场的。当一颗中子星在最初形成时,如果它开始以每秒1000转的速度快速地旋转,那么它就有可能引发剧烈的内部运动,从而在一种所谓的“发电机效应”下放大磁场。


多年来,也有其他机制被相继提出,但发电机模型仍然是最受欢迎的。2006年,天体物理学家Jacco Vink将产生磁星的爆炸与产生普通中子星的爆炸进行了比较。他发现这两种超新星爆炸所释放的能量规模差不多,而根据发电机模型的预测,产生磁星的爆炸应该比典型的超新星爆炸能量更高。Vink的这一发现让一些注册新宝GG家倍感惊讶。


如果事实真如Vink所发现的那样,那么发电机模型就无法解释磁星的产生。那还有怎样的过程可能产生磁星呢?另一个主要的观点认为,并非所有的普通恒星都具有相同的磁场强度,也许磁星只是那些本身就具有特别强的磁场的恒星所遗留下的最终产物。天体物理学家称之为“化石场”模型,即磁星的磁场是原恒星磁场的遗迹,或者说是化石。


然而,这些都只能算是合理的想法,天体物理学家们却无法确认它们的正确性。


3.

最近,阿姆斯特丹大学天体物理学家Ping Zhou与Vink等人进行了一项新的研究,他们通过分析最初产生磁星的超新星遗迹,来确定磁星与其他的差异。


如果一颗磁场超大的大质量恒星坍缩,它的超新星看起来应与普通超新星差不多。但是,通过发电机效应产生的磁星应该来自超大质量的恒星。这些巨型恒星会产生具有独特元素特征的超新星遗迹。


研究人员先从10个已知包含磁星的超新星遗迹开始。他们检查了其中能发射出足够的X射线辐射的3颗星体,对它们的辐射进行了详细的分析。接着,研究小组将每一颗超新星残骸分割成小块,明亮区域的被分成更小的块(因为这些区域会释放出大量辐射),以此最大化从中能获得的细节;较暗的区域被分成较大的块。


研究小组从每一块都提取出那里的气体元素的构成信息,这种方法使它们得到了一幅关于超新星残骸组成的更精确图像。据他们估计,这些超新星来自于质量是太阳10到20倍的恒星——这意味着它们的质量比发电机模型所预测的产生磁星所需的质量要小得多。


他们还发现,这些超新星的能量与典型的超新星相似,并没有如发电机模型预测的那样更高。有天体物理学家认为,Zhou和Vink的发现为支持化石场模型提供了一个很好的故事。


4.

虽然就目前证据来看,发电机模型似乎已徘徊在“出局”的边缘,但研究人员慎重地表示,这个问题并没有得到解决。Zhou指出,虽然他们的发现更多地支持了化石场模型,但这并不代表他们已经确认可以排除发电机模型。其中一个挑战便是样本不足,天文学家只知道10个有超新星遗迹的磁星,而这其中又只有3个具有足够的亮度可供详细研究。

即使研究人员最终确定化石场模型可以解释磁星的产生机制,这个故事也仍不完整。到那时,关于磁星的另一个问题又会应运而生:为什么有的普通恒星可以拥有极高的磁场?而关于这个问题,类似的争论也在继续……


参考链接:

https://arxiv.org/pdf/1909.01922.pdf

https://www.quantamagazine.org/magnetars-attract-new-controversy-over-their-origins-20191028/