科學家證實新的「蟲繭模型」,是中子星合併的電磁波來源

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 27 日 12:39 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

今年 8 月,人類首次偵測到雙中子星合併釋放的重力波,隨之而來的還有伽瑪射線、X 射線和可見光等各種電磁波爆發,但當時的模型無法解釋為何後續偵測到的無線電訊號逐漸增強。於是科學家提出一個全新的蟲繭模型,並在最近證實無線電、X 射線等都是來自中子星爆炸後周圍的「繭」。



結合美國雷射干涉儀重力波觀測台(LIGO)和歐洲先進處女座干涉儀(Virgo)的力量,今年 8 月 17 日人類首次偵測到雙中子星碰撞合併釋放的重力波事件「GW170817」,引起全球天文圈轟動。

標準模型認為,兩顆中子星合併時引起名為千級星(kilonova)的爆炸,向外推動形成球形碎片殼;碰撞後的中子星消失坍塌成殘餘物質,可能就地變成黑洞,其強大重力場平衡了向外推力,開始將爆炸物質拉回來並形成快速旋轉的碎片塵埃圓盤(也就是吸積盤)。

黑洞吸積盤產生一對從兩極(盤面上、下方)往外射出的束狀噴流,速度接近光速,其中高能量的伽瑪射線暴(GRB)會在氣體摩擦中產生,如果有道噴流瞄準地球,那麼望遠鏡就能觀測到。

到這裡為止,一切都沒有爭議,但接下來的實際檢測結果卻開始與模型產生分歧。

NASA  的費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)檢測到的伽馬射線訊號,和其他短伽瑪射線暴訊號紀錄相比,亮度低了 10,000 倍,更奇怪的是,X 射線和無線電波訊號直到中子星碰撞釋放重力波後約 16 天才出現,一般來說,這些電磁輻射應該要能馬上偵測到並隨著時間減弱、慢慢消失。

然而,由美國國家電波天文台(NRAO)天文學家 Kunal Mooley 領導的團隊發現事實並非如此,相反的,無線電訊號反而隨著時間推移穩定增強。X 射線和無線電波延遲出現還能勉強解釋,可能是噴流方向稍微偏離了點,導致碰撞後一段時間才被望遠鏡看到;但無線電訊號增強,且已經持續了 93 天(至今還可見),代表天文學家需要一個全新模型才能解釋。

▲ 左為標準模型,右為新的蟲繭模型。(Source:美國國家電波天文台

美國加州理工學院天文學家 Mansi Kasliwal 和其團隊在 10 月首先提出蟲繭模型,以色列台拉維夫大學天文學家 Ore Gottlieb 和其團隊進一步開發,在該模型下,噴流其實沒有衝出千級星爆炸時產生的球形碎片殼,而是猛撞這些碎片並轉移能量,這些額外能量創造出一個發光的「繭」,得以讓輻射比原本還維持更長時間、更高強度,所以科學家才看到逐漸增強、至今未消退的無線電波訊號。

為了驗證這項理論,研究人員預測了錢卓拉 X 射線天文台在 12 月 2 日、6 日的觀測結果,12 月 7 日結果出爐,團隊的預測是對的。

Kunal Mooley 說,也許未來還會有其他模型可以解釋這些現象,但現在,蟲繭模型有一個很重要的意義,在於科學家未來可以試著利用電磁波來發現天體碰撞,而不只是單純透過重力波。

註:電磁波譜頻率從低到高分別為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線和伽瑪射線,其中可見光(人眼感受得到的部分)只是電磁波譜中一個很小的區段。

(首圖來源:美國國家電波天文台

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