放射性“千倍新星”光芒表明中子星快速旋转延迟坍缩到黑洞中 _中子星

放射性“千倍新星”光芒表明中子星快速旋转延迟坍缩到黑洞中
（）据cnBeta：当两颗中子星相互旋转并合并形成一个黑洞时--2017年全世界的引力波探测器和望远镜都记录了这一事件--它是否立即成为一个黑洞？还是需要一段时间来旋转下来，然后在引力作用下坍缩过事件视界，成为一个黑洞？由钱德拉X射线天文台（一个轨道上的望远镜）对2017年的那次合并进行的观察表明，答案是后者：合并后的天体在经历最终坍缩之前，可能只停留了一瞬间。
在这个艺术家的想象作品中，两颗中子星合并形成了一个黑洞（隐藏在图像中心的明亮隆起中），产生了对立的高能量粒子喷流（蓝色），加热了恒星周围的物质，使其发出X射线（红色云层）。钱德拉X射线天文台今天仍在探测来自该事件的X射线。它们可能是由黑洞周围物质的冲击波产生的，或者是由猛烈坠入黑洞的物质产生的（中心隆起周围的淡黄色圆盘）。
证据是合并后的X射线余辉，被称为GW170817 ，如果合并后的中子星立即坍缩成黑洞，这是不可能出现的。余辉可以解释为合并后的中子星上的物质反弹，它穿过并加热了双中子星周围的物质。在合并后的四年多时间里，这种热的物质使残余物稳定地发光，这就是所谓的“千倍新星”（kilonova）。钱德拉在合并后不久就检测到的来自物质喷流的X射线发射，随后它就开始变暗。
虽然钱德拉观测到的多余的X射线发射可能来自于吸积盘中的碎片，这些碎片围绕着黑洞旋转并最终落入黑洞，但加州大学伯克利分校的天体物理学家Raffaella Margutti倾向于延迟坍缩假说，这在理论上是可以预测的。
加州大学伯克利分校天文学和物理学副教授Margutti说："如果合并的中子星直接坍缩成一个黑洞，没有中间阶段，就很难解释我们现在看到的这种X射线过量，因为没有坚硬的表面让东西反弹并以高速飞出以产生这种余辉。我们看到的可能不仅仅是喷流。我们可能最终得到一些关于新的紧凑物体的信息。"
Margutti和她的同事，包括第一作者Aprajita Hajela，她是Margutti在转到加州大学伯克利分校之前在西北大学时的研究生，在最近接受发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中报告了他们对X射线余辉的分析。
2017年8月17日，高级激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座合作组织首次探测到来自合并的引力波。卫星和地面望远镜迅速跟进，记录了一阵伽马射线以及可见光和红外线发射，共同证实了这样的理论：许多重元素在这种合并后的热喷出物内产生，产生明亮的“千倍新星”光芒。发亮的原因是在放射性元素（如铂和金）衰变过程中发出的光，这些放射性元素在合并后的碎片中产生。
钱德拉也转向观察GW170817，但直到9天后才看到X射线，这表明合并也产生了一个狭窄的物质喷流，在与中子星周围的物质碰撞后，发出了一个锥形的X射线，最初与地球失之交臂。只是后来射流的头部扩大了，开始在地球上可见的更宽的射流中发射X射线。
在合并后的160天里，喷流的X射线发射不断增加，之后随着喷流的减速和扩张，它们逐渐变暗。但是Hajela和她的团队注意到，从2020年3月--合并后约900天--直到2020年底，这种下降停止了，X射线发射的亮度保持大致不变。
Margutti说："X射线迅速停止衰减的事实是我们最好的证据，表明在这个来源的X射线中，除了喷流之外，还有其他东西被探测到。似乎需要一个完全不同的X射线源来解释我们所看到的情况。"
研究人员认为多余的X射线是由一个不同于合并产生的喷发冲击波产生的。这个冲击波是合并后的中子星延迟坍缩的结果，可能是因为它的快速旋转非常短暂地抵消了引力坍缩的影响。通过多停留的短暂时刻，中子星周围的物质得到了额外的反弹，产生了一个非常快速的“千倍新星”光芒喷出物的尾巴，从而产生了冲击。
Margutti说："我们认为余辉发射是由环状介质中的受冲击物质产生的。这是两个中子星环境中的物质，它们被千倍新星喷出物的最快边缘冲击和加热，从而推动了冲击波。"
两颗中子星的合并产生了一个黑洞（中心，白色）和一阵由狭窄的喷流或高能粒子束产生的伽马射线，用红色描述。起初喷流很窄令钱德拉无法探测到，但随着时间的推移，喷流中的物质放慢并扩大（蓝色），因为它撞上了周围的物质，导致X射线发射上升，因为喷流进入了钱德拉的直接视野。这个喷流及其相反方向的对应物可能是由黑洞形成后落到黑洞上的物质产生的。
这些辐射现在才到达我们这里，因为沉重的千倍新星喷出物在低密度环境中被减速，喷出物的动能通过冲击转化为热量，这需要时间。这是产生射流和X射线的相同过程，但由于射流要轻得多，它立即被环境减速，并从最早的时候就在X射线和无线电中闪耀。
研究人员指出，另一种解释是，X射线来自于中子星合并后形成的落向黑洞的物质。
共同作者、加州大学伯克利分校博士后研究员乔-布莱特说："这要么是我们第一次看到千倍新星的余辉，要么是我们第一次看到物质在中子星合并后落入黑洞。无论哪种结果都将是非常令人兴奋的。"
钱德拉现在是唯一一个仍然能够探测到这种宇宙碰撞的光的天文台。然而，钱德拉和射电望远镜的后续观测可以区分出不同的解释。如果它是一个千倍新星余辉，预计在未来几个月或几年内会再次探测到无线电发射。如果X射线是由落在新形成的黑洞上的物质产生的，那么X射线的输出应该保持稳定或迅速下降，并且随着时间的推移不会检测到无线电发射。
Margutti希望LIGO、Virgo和其他望远镜能够从更多的中子星合并中捕捉到引力波和电磁波，这样就可以更精确地确定合并前后的一系列事件，并帮助揭示黑洞形成的物理过程。在此之前，GW170817是唯一可供研究的例子。
"对GW170817的进一步研究可能具有深远的影响，"共同作者凯特-亚历山大说，他是一名博士后研究员，也来自西北大学。"对千禧年余辉的探测将意味着合并并没有立即产生一个黑洞。另外，这个物体可能为天文学家提供一个机会，研究物质是如何在黑洞诞生几年后落到它身上的。"
Margutti和她的团队最近宣布，钱德拉望远镜在2021年12月对GW170817进行的观测中发现了X射线。对该数据的分析正在进行中。目前还没有报道与X射线相关的无线电探测。