少數中子星偶爾會不規律脈動,或與內部「中子湯」流動有關

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 14 日 14:03 | 分類 天文 follow us in feedly


脈衝星是宇宙中會規律釋放脈衝訊號的天體,週期精確度甚至超過原子鐘。但再怎麼精密也有故障的時候,天文學家就曾發現有顆脈衝星平均每 3 年故障一次,它轉著轉著就忽然減速又加速。一項新研究現在指出其背後機制,可能與內部「中子湯」有關。

當大質量恆星演化到末期、經重力坍縮發生超新星爆炸後,最終可能變成一顆質量比太陽大 1~2 倍、但直徑只 10 多公里、上面一立方公分物質可重達 10 億噸的緻密中子星。中子星旋轉速度奇快而且相當規律,精度媲美原子鐘,由於其磁軸和自轉軸不重合,磁場旋轉時所產生的各種輻射可能一明一滅傳到地球,有如人眨眼,此時稱做脈衝星。

然而凡事總有例外。大約有 5% 中子星在旋轉過程中會「發生故障」,忽然不受控制的加速或減速,比如距離我們 1,000 光年遠的船帆座脈衝星(Vela pulsar)。為什麼有些中子星似乎永遠恆定旋轉、但有些中子星每隔幾年就會失靈一下?科學家已經提出 10 來種不同模型嘗試解釋這個分歧,但想達成共識還有一段路要走。

來自澳洲蒙納許大學的團隊最近發表論文,透過分析船帆座脈衝星提出全新觀點:涉及中子星內部的「中子湯」。

船帆座脈衝星正常情況下每秒旋轉約 11 次,從地球利用電波望遠鏡觀察它的磁場,看起來就像閃光燈一樣閃爍。然而 2016 年 12 月時,其他天文學家發現這顆脈衝星的轉速分成三階段變化:首先轉速大幅減慢了幾秒鐘,接著又超速回升約 12 秒,等 1 分鐘之後才又慢慢恢復到正常速度;今年 2 月,天文學家又發現它再次故障。

蒙納許大學天文物理學家 Paul Lasky 表示,這些變化很可能源自於脈衝星內部的大量自由浮動中子(超流體,故研究人員稱為中子湯),以及由質子、中子、推測某種奇異粒子所組成的超緻密核心(沒人知曉中子星的核心究竟由什麼構成)。

已知中子星剖面大致可分成 3 層,核心部分因壓力極大,由超子組成;中間層為自由中子,表面層則由中子 β 衰變成的電子、質子、微中子構成。一般情況下,這 3 層應該以不同的速度獨立旋轉,然而在脈衝星「旋轉故障」期間,不同層可能以異常方式相互纏緊:

當中間層的「中子湯」向外撞擊恆星外殼時,其傳遞的動量會促使恆星脈動加快;然而當脈衝星核心的稠密流體和中間層混合,又導致恆星減速旋轉恢復一般速度,這些異樣中,只有加速前的減速現象尚無法解釋。

研究人員希望未來更多觀察、分析和建模,能夠為最初的減速現象提出合適理論。新論文發表在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊。

(首圖為示意圖,來源:NASA