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NuSTAR帮助解决四十年前的中子星之谜

返回列表发布时间:2018-05-16

艺术家对Rapid Burster中的中子星的印象。

/ em天文学家可能已经解决了围绕“快速爆发”系统中的中子星的40年历史的秘密。 / em

科学家在一个被称为“快速爆发”的二进制系统中观察一个奇怪的中子星可能已经解决了围绕其令人费解的X射线爆发的一个四十岁的神秘事件。他们发现它的磁场在恒星周围产生了一个空隙,很大程度上阻止了它从恒星伴侣的物质上进食。在一定条件下,气体一下子堆积起来,直到它同时击中中子星,产生强烈的X射线闪光。这项发现是用太空望远镜,包括欧空局的XMM-Newton进行的。

七十年代发现的Rapid Burster是一个二进制系统,由一颗质量较低的恒星和一颗中子星组成,这颗恒星是一颗巨星死亡的紧凑残骸。在这样的恒星对中,密集的剩余物的引力将它的一些气体的另一颗恒星剥去;气体形成吸积盘并向中子星旋转。

由于这种吸积过程,大多数中子星二进制器连续释放大量的X射线,每隔数小时或数天通过额外的X射线闪光进行打断。科学家们可以解释这些“I型”爆发,就核辐射而言,在流入的气体中 - 主要是氢 - 在中子星表面积聚时,会引发核反应。

但是快速爆发是一个奇特的来源:在最亮的时候,它确实发出了这些I型闪光,而在较低的X射线发射期间,它显示出更难以捉摸的'II型'爆发 - 这些突发,不稳定X射线的释放非常强烈。


em中子星二进制系统MXB 1730-335,也被称为“快速爆发”,是一种特有的X射线源,是仅有的两个已知展现难以捉摸的“II型”爆发的X射线源之一。这些爆发是突然的,不稳定的和非常强烈的X射线释放,在非常少的发射发生的时期释放大量的能量。 / em

在爆发之前,中子星(蓝色箭头)的快速旋转磁场使来自伴星的气体(白色箭头)在海湾中流动,防止其与中子星接近,并有效地在中心处形成内边缘的光盘。在这个阶段,只有少量的气体泄漏到中子星。

但是,随着气体继续流动并积聚在该边缘附近,其旋转速度越来越快,并最终赶上了磁场的旋转速度。然后气体立刻冲击中子星,导致II型爆发剧烈发射。

NuSTAR光曲线显示2015年10月观测到的II型爆发期间亮度增加。这是使用三个X射线空间望远镜(NASA的NuSTAR和Swift以及ESA的XMM-Newton)观测活动的一部分,以发现更多关于这个系统。

与I型爆发相比,这种爆发对于增积中子星通常发射的能量没有明显的释放,但II型爆发在非常少的发射期间释放大量能量。

尽管进行了四十年的搜索,除了Rapid Burster之外,II型爆发仅在另一个来源中被发现。这个二进制系统被称为爆发脉冲星,在20世纪90年代发现,它由一个低质量恒星和一个高度磁化的旋转中子星 - 一个脉冲星组成,只显示II型爆发。

由于显示这种现象的来源稀缺,其潜在的物理机制一直存在争议,但对Rapid Burster的一项新研究为发生的事情提供了首要证据。

“Rapid Burster是调查II型爆发的原型系统 - 它是他们第一次观察到的地方,也是显示I型和II型爆发的唯一来源,”安东尼博士学生Jakob van den Eijnden说。荷兰阿姆斯特丹Pannekoek天文学研究所,以及在皇家天文学会月刊中发表的一封信的主要作者。

在这项研究中,Jakob和他的同事组织了一次观测活动,使用三台X射线空间望远镜来了解更多关于这个系统的信息。

在合作作者Tullio Bagnoli的协助下,他也是Anton Pannekoek天文学研究所的一名成员,2015年10月,该团队成功观测了源于美国国家航空航天局NuSTAR和Swift的组合,并与ESA的XMM-牛顿。

他们首先用Swift监测了震源,并在一段时间内观测了一段时间,当时他们预计会发生一系列II型爆发。然后,在第一次爆炸发现后不久,科学家们使用XMM-Newton来测量其他天文台的运动,测量中子星表面直接发射的X射线或吸积盘中的气体,NuSTAR探测更高能量由中子星发射并从盘上反射的X射线。

有了这些数据,科学家仔细审视了吸积盘的结构,以了解在这些大量X射线释放之前,期间和之后发生的情况。

根据一个模型,II型爆发的发生是因为中子星的快速旋转磁场保持来自伴星的气体流入湾内,阻止其接近中子星,并有效地在中心处形成内边缘光盘。但是,随着气体继续流动并积聚在该边缘附近,其旋转速度越来越快,并最终赶上了磁场的旋转速度。

“就好像我们向旋转得非常快的旋转木马扔东西一样:它会反弹,除非它和机器速度相同,”Jakob解释说。

“在流入的气体和旋转的磁场之间会发生类似的平衡行为:只要气体速度不正确,它就无法到达中子星,它只能堆积在边缘。当它达到正确的速度时,大量的气体积聚起来,并且一次撞击中子星,导致II型爆发剧烈发射。“

该模型预测,当材料堆积时,中子星与吸积盘边缘之间应该形成一个缝隙。

在其他模型中,强烈的闪烁被解释为由增生气体流动的不稳定性或由一般相对论效应引起的。在任何一种情况下,这些都会更接近中子星,并且不会产生这样的差距。

“我们在Rapid Burster发现了一个缺口,”Anton Pannekoek天文学研究所和Jakob博士顾问研究员Nathalie Degenaar说。 “这强烈表明II型爆发是由磁场引起的。”

观测结果表明,中子星与吸积盘内缘之间存在大约90公里的间隙。虽然在宇宙尺度上并不令人印象深刻,但它的尺寸比中子星本身大得多,半径约10公里。

这一发现与Nathalie及其合作者之前的研究结果一致,他们观察到突发脉冲星周围有类似的差距 - 另一个已知产生II型爆发的来源。

在新的快速爆发研究中,科学家们还测量了中子星磁场的强度:在6×108 G时,它比地球强10亿倍,最重要的是超过其他5倍具有低质量恒星伴星的中子星。这可能暗示了这个二元体系的年轻时代,这表明增长过程的持续时间不足以阻止磁场的衰减,这被认为是在类似的系统中发生的。

如果这颗中子星二进制真的像它的强磁场一样年轻,那么它的旋转速度将比其老一代慢得多:未来测量恒星的旋转速率可能有助于证实这种不寻常的情况。

“这一结果是朝着解决中子星天文学中一个长达四十年的难题迈出的重要一步,同时也揭示了这些外来物体中磁场与吸积盘之间相互作用的新细节。”XMM-牛顿项目科学家Norbert Schartel总结道。在欧空局。

出版物:

J.van den Eijnden等人,“Rapid Burster中的强截断的内部增生盘”,皇家天文学会月刊:月刊,Letters / em&gt ;, vol。 466,issue 1,pp.L98-L102(2017)N.Degenaar等人的“High-resolution X-Ray Spectroscopy of the Bursting Pulsar GRO J1744-28”,The Astrophysical Journal Letters / em第796卷,第1期,文章ID。 L9,6页(2014)

来源:欧洲航天局

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