漫畫 | 中國天文學家在66億光年外發現一顆大質量毫秒磁星！！！

（這是 Sheldon 的第 112 篇漫畫，所有圖片大約 9.7 MB。）

一、地球上磁場強度的極限

別看萬磁王片酬很高，其實他產生的磁場並不算高。

根據物理定律，他的磁場再高也不會超過地磁場的 100 萬倍。

這是因為，如果萬磁王的磁場強度超過了地球磁場的 100 萬倍，磁場產生的拉力就會超過萬磁王能承受的極限，把萬磁王撕成碎片。到那時候，萬磁王自己就會變成

所以，在地球上，4.5×10⁵ 高斯是磁場強度的極限。要想讓磁場超過這個極限，我們就得把目光投向宇宙深處。

二、超越萬磁王10億倍

天文學家認為，在宇宙深處，有一種天體能夠產生10¹²~10¹⁵ 高斯的強大磁場，（最強時）比萬磁王還要強大 10 億倍，叫作磁星（Magnetar）。

這麼強大的磁場，不但超過了地球的極限，甚至也超過了經典力學的極限，進入了量子力學的範圍。根據計算，磁星的磁場可以產生四種神奇的量子力學現象。

三、磁星為什麼不會把自己撕碎？

說到這兒你可能會問了，既然磁星的磁場這麼強大，磁星為什麼不會把自己撕碎呢？這就要說到磁星的本來面目：中子星。

中子是原子核裡的一種粒子，它的尺寸比原子小得多。如果把你縮小到中子的大小，你會發現，原子內部其實很空曠，有大量空間可以裝東西。

當一顆巨大的恆星死亡時，它就會在萬有引力的作用下發生塌縮，把原子壓碎，把電子壓進原子核，和質子反應，變成中子，最終形成一顆直徑不超過 20 千米的、不斷高速自轉的中子星。

所以說，磁星就是由一大堆密密麻麻的中子組成的。說白了，磁星本身就是一個巨型「原子核」。

所以，磁星為什麼不會把自己撕碎？因為巨型「原子核」的材料非常堅硬，根本不怕撕。

四 、如何才能看到磁星？

說了這麼多，我們怎樣在哪兒能找到這麼厲害的磁星呢？答案是很難，磁星的形成過程非常劇烈，導致周圍煙霧瀰漫，啥也看不見。

要想看到磁星，看起來似乎只有一個辦法，那就是觀察磁星發出的短伽馬射線暴！

原來，在磁星強大的電場和磁場的作用下，磁星會沿著磁極以亞光速向外噴射大量物質，並發出大量的、穿透力極強的伽馬射線。

原視頻作者：ScienceAtNASA

（美編：看這就是磁星的義大利炮，膩害不？）

如果站在地球上看，就像夜空中有人拿雷射筆晃了晃地球的眼睛。可惜，磁星的這枚雷射筆是一次性的，晃一次就沒有了，而且持續時間不超過2秒鐘。

（美編：只照射一次我的眼睛都快瞎了，老闆快給我加工資。不然……）

那麼問題來了，萬一磁星的「雷射筆」沒有對準地球呢？根據天文學家的計算，天上的磁星應該有不少，可惜大部分磁星的「雷射筆」都不會剛好對準地球。

難道我們真的很難發現它們的蹤跡，只能任由它們在宇宙中飄蕩嗎？

五、雷射筆沒對準？還有手電筒！

2019 年 4 月 11 日，中國科學技術大學的薛永泉及鄭學琛，和美國內華達大學張冰，北京大學李曄與紫金山天文臺吳雪峰等人在《自然》雜誌發表了一篇論文。

他們宣布，在沒有觀察到任何短伽馬射線暴的情況下，他們在 66 億光年外的一個星系邊緣，發現了一顆大質量毫秒磁星。

那麼，他們是通過什麼辦法發現這顆磁星的呢？答案是，探測磁星發出的 X 射線「手電筒」。

原來，在磁星形成以後，它不但會朝著一個很小的角度發射伽馬射線，還會朝著一個很大的角度發射X射線。

由於磁星X射線的發射範圍很廣，它就比伽馬射線更容易對準地球，從而被天文學家觀測到。

如果站在地球上看，就像夜空中有人拿手電筒照地球的眼睛。

於是，研究團隊在查看錢德拉 X 射線空間望遠鏡的數據時發現， 真的有人用這樣的手電筒照過地球的眼睛：

2015 年 3 月，夜空中突然冒出來一個新的 X 射線源（XT2），它一直亮了 7 個小時，然後徹底熄滅。這叫作 X 射線暫現源。

研究團隊發現，這個 X 射線暫現源有兩個特點：

第一，在最初的半個小時內，它的亮度幾乎不變（見下圖）。這很符合磁星發射 X 射線「手電筒」的特點：

由於磁星會源源不斷地將轉動的動能傳給磁場，再由磁場傳給X射線，所以，X射線的亮度在爆發初期會保持不變。

第二，過了半小時以後，它的亮度突然快速下降，並且，下降的速度正好跟時間的平方呈反比。打個比方，這就相當於說，1分鐘後，它的亮度降低1倍；2分鐘後，它的亮度降低4倍；3分鐘後，它的亮度降低9倍；以此類推（見下圖）。

這也很符合磁星發射X射線「手電筒」的特點：隨著磁星自轉速度越來越慢，它向外傳輸的能量會越來越少，因此，X射線的亮度也越來越低。

最後，在綜合各種觀測數據，並結合各種相關理論模型後，研究團隊指出：這場爆發中的X 射線，全部來自一顆磁星發射的X射線「手電筒」！這顆磁星就位於66億光年外的一個星系的邊緣。

而且，這不是一顆普通的磁星，而是轉動速度很快（每秒幾百圈）大質量磁星——它極有可能是由兩顆高速繞轉的中子星合併後形成的。

（中子星合併過程的模擬動畫，視頻原作者：Stu Shapiro）

這次 XT2 的發現，讓天文學家收穫很大。

首先，它不但證明雙中子星合併能夠產生磁星，同時，它還幫助天文學家更為深入地了解了中子星的內部物質狀態。研究團隊指出，這顆大質量磁星既沒有因為高速自轉而散架，也沒有立刻坍縮成黑洞，一是說明高速自轉產生的離心力幫忙抵抗它自身的強大引力，二是說明它內部的物質足夠硬（從而更善於抵抗自身引力），而且比許多理論模型想像的還要硬！

其次，它證明，即使伽馬射線的「雷射筆」沒有對準地球，我們還是可以通過探測 X 射線「手電筒」來探測磁星。這種方法使得天文學家探測磁星變得容易許多！

在未來，天文學家希望通過這種方法，同引力波天線一起，共同探究更多中子星合併過程，進一步揭開神秘磁星的奧秘！

作者：Sheldon | 繪製：Mirror、周源、黃呆

美指、對白：牛貓 | 排版：胡豆 | 鳴謝：薛永泉

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參考文獻：

1. Y. Q. Xue, et. al., A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron star merger, Nature, 568, pages198–201 (2019).

2. C. Kouveliotou, et. al., Megnetar, Scientific American (2003).

3. E. Nakar, et. al., Short-hard gamma-ray bursts, Physics Reports 442 (2007) 166 – 236.

4. A. Rowlinson, et. al., Signatures of magnetar central engines in short GRB lightcurves, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2013) 430(2).

5. http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html

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