迄今发现的最重的中子星是一个吞噬其伴星的“黑寡妇”

2022年07月27日 11:29 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一颗致密的塌陷恒星几乎粉碎并消耗了其伴星的全部质量,并在此过程中成长为迄今为止观察到的最重的中子星。它以每秒707次的速度自旋--使其成为银河系中自旋速度最快的中子星之一。

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天文学家发现,这颗创纪录的中子星以2.35个太阳质量成为迄今发现的最重的中子星,这有助于天文学家了解这些极度密集的天体内部物质的奇怪量子状态。如果它们变得比这重得多,中子星就会完全坍塌并作为黑洞消失。

加州大学伯克利分校天文学特聘教授Alex Filippenko说:“我们大致知道物质在核密度下的表现,比如在铀原子的原子核中。一颗中子星就像一个巨大的原子核,但是当你有一个半太阳质量的这种东西,也就是大约50万个地球质量的原子核都粘在一起的时候,它们将如何表现就一点也不清楚了。”

根据斯坦福大学天体物理学教授 Roger W. Romani的说法,中子星的密度大得惊人,1立方英寸的重量超过100亿吨。这意味着它们的核心是宇宙中除黑洞之外最密集的物质,而黑洞是不可能研究的,因为它们隐藏在事件视界之后。因此,这颗中子星,一个被命名为PSR J0952-0607的脉冲星,是地球视线范围内最密集的天体。

夏威夷茂纳凯亚岛上的10米凯克一号望远镜的极高灵敏度使它有可能测量出中子星的质量。它记录了来自发着热光的伴星的可见光光谱,该伴星现在已经缩小到一个大型气态行星的大小。这颗恒星位于六分仪座(Sextans)的方向,距离地球约3000光年。

2017年发现的PSR J0952-0607被称为“黑寡妇”脉冲星。它们的名字是对雌性黑寡妇蜘蛛在交配后吞噬小得多的雄性蜘蛛的倾向的一种比喻。希望确立中子星/脉冲星能够成长到多大的上限, Filippenko和Romani已经研究黑寡妇系统超过十年了。

Romani说:“通过将这一测量与其他几个‘黑寡妇’的测量相结合,我们表明中子星必须至少达到这一质量,即2.35加减0.17太阳质量,”他是斯坦福大学人文与科学学院的物理学教授,也是卡夫里粒子天体物理学和宇宙学研究所的成员。“反过来,这也为在原子核中看到的几倍密度的物质的属性提供了一些最强有力的约束。事实上,许多其他流行的致密物质物理学模型都被这一结果所排除。”

天文学家说,如果2.35个太阳质量接近中子星的上限,那么其内部很可能是中子“汤”以及上下夸克--正常质子和中子的成分--但不是外来物质,例如奇异夸克或高子,它们是含有奇异夸克的粒子。

"中子星的最大质量很高,这表明它是核子及其溶解的上下夸克一直到核心的混合物,"Romani说。"这排除了许多提议的物质状态,特别是那些具有奇异的内部组成。"

Romani、Filippenko和斯坦福大学研究生Dinesh Kandel是一篇描述该团队结果的论文的共同作者,该论文于7月26日发表在《天体物理学杂志通讯》上。

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它们能长到多大?

天体物理学家普遍认为,当一颗内核大于约1.4个太阳质量的恒星在其生命末期坍缩时,会形成一个致密、紧凑的天体,其内部处于如此高的压力之下,所有的原子都被砸在一起,形成一片中子及其亚核成分夸克的海洋。这些中子星生来就在旋转,虽然太过暗淡,无法在可见光中看到,但却以脉冲星的形式显示出来,发射出光束--无线电波、X射线甚至伽马射线--在旋转时闪耀地球,很像灯塔的旋转光束。

"普通"脉冲星平均每秒旋转和闪烁一次,考虑到恒星坍缩前的正常旋转,这个速度很容易解释。但是有些脉冲星每秒重复数百次或多达1000次,这很难解释,除非物质落到中子星上并使其旋转起来。但是对于一些毫秒级的脉冲星来说,看不到任何伴星。对孤立的毫秒脉冲星的一个可能的解释是,每个人确实曾经有一个伴星,但它把它剥离得一无所有。

“进化的途径绝对是迷人的。”Filippenko说。“随着伴星的演化并开始成为一颗红巨星,物质溢出到中子星上,这使中子星旋转起来。通过旋转,它现在变得令人难以置信的有能量,并且一股粒子风开始从中子星出来。然后这股风吹到供体星上,开始剥离物质,随着时间的推移,供体星的质量下降到行星的质量,如果再过一段时间,它就完全消失了。因此,这就是孤独的毫秒脉冲星的形成方式。它们一开始并不孤单--它们必须是在一对双星中--但它们逐渐蒸发掉了它们的伴星,现在它们是孤独的。”

脉冲星PSR J0952-0607和它微弱的伴星支持这个关于毫秒脉冲星的起源故事。

Romani说:“这些类似行星的天体是正常恒星的‘残渣’,它们贡献了质量和角动量,将它们的脉冲星伴星旋转到毫秒周期,并在这个过程中增加了它们的质量。”

Filippenko说:“在一个宇宙忘恩负义的案例中,黑寡妇脉冲星吞噬了其伴星的一大部分,现在加热并蒸发了伴星,使其质量下降到行星质量,也许会完全湮灭。”

寻找“黑寡妇”脉冲星,其中的伴星很小,但又不会小到无法探测,这是衡量中子星的少数方法之一。在这个双星系统中,伴星--现在只有木星质量的20倍--被中子星的质量所扭曲,并被潮汐锁定,类似于我们的月球被锁定在轨道上的方式,这样我们就只能看到一面。面向中子星的一面被加热到大约6200开尔文,或10700华氏度的温度,比我们的太阳还要热一点,而且亮度刚好可以用一个大型望远镜看到。

Filippenko和Romani在过去四年中六次将凯克一号望远镜转向PSR J0952-0607,每次都用低分辨率成像光谱仪进行15分钟的观测,以便在脉冲星6.4小时的轨道上捕捉到这个微弱同伴的特定点。通过将光谱与类似太阳的恒星的光谱相比较,他们能够测量出伴星的轨道速度并计算出中子星的质量。

到目前为止,Filippenko和Romani已经检查了大约12个黑寡妇系统,尽管只有6个系统的伴星足够明亮,可以让他们计算出质量。所有的中子星的质量都比脉冲星PSR J0952-060小。他们希望研究更多的“黑寡妇”脉冲星,以及它们的“表亲”:Redbacks,它的伴星质量接近太阳的十分之一;以及Romani称之为Tidarrens--伴星的质量约为太阳的百分之一--以黑寡妇蜘蛛的一个近亲命名。这个物种的雄性,Tidarren sisyphoides,大约是雌性大小的1%。

“我们可以继续寻找‘黑寡妇’和类似的中子星,它们更接近黑洞的边缘。但是,如果我们没有找到任何中子星,它就会使2.3个太阳质量是真正的极限的论点更加紧密,超过这个极限,它们就会变成黑洞,”Filippenko说。

Romani补充说:“这正好是凯克望远镜所能做到的极限,所以如果没有奇妙的观测条件,加强对PSR J0952-0607的测量可能要等到30米望远镜时代。”

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