科學家捕捉到創紀錄的X射線爆發,比太陽10天內釋放的能量還要大

2020-12-05 萬象經驗

8月20日美國東部時間晚上10點04分左右,美國宇航局(NASA)位於國際空間站的中子星內部成分探測望遠鏡(NICER)探測到一道突然出現的X射線。這次爆炸是由脈衝星表面巨大的熱核閃光引起的,脈衝星是很久以前作為超新星爆炸的一顆恆星的殘骸。

這次X射線爆發是迄今為止所見過的最亮的一次,它來自一個名為SAX J1808.4-3658的天體,簡稱J1808。觀測結果揭示了許多從未同時出現過的現象。此外,由於天文學家還無法解釋的原因,正在下沉的火球再次短暫變亮。

我們看到亮度有兩步的變化,我們認為這是由脈衝星表面的獨立層的噴射引起的,其他的特徵將幫助我們解碼這些強大事件的物理過程。

天文學家將這次爆炸歸類為I型X射線爆炸,它在20秒內釋放的能量相當於太陽在近10天內釋放的能量。這次創紀錄的噴發所捕捉到的細節將有助於天文學家更好地理解驅動它和其他爆發脈衝星的熱核爆發的物理過程。

脈衝星是一種中子星,當一顆大質量恆星耗盡燃料,在自身重量的作用下坍縮並爆炸時,它的緻密核就會被遺留下來。脈衝星可以快速旋轉,在它們的磁極處有X射線輻射熱點。當物體旋轉時,它掃過我們視線範圍內的熱點,產生有規律的高能輻射脈衝。

J1808位於大約11000光年之外的人馬座。它每秒旋轉401圈,是一個雙星系統的一員。它的伴星是一顆褐矮星,比一顆巨大的行星還大,但又太小,不能成為恆星。一股穩定的氫氣流從伴星流向中子星,並在一個叫做吸積盤的巨大存儲結構中積累起來。

吸積盤中的氣體不易向內移動。但是每隔幾年,像J1808這樣的脈衝星周圍的圓盤就會變得非常密集,以至於大量的氣體被電離。這使得光通過圓盤變得更加困難。被捕獲的能量開始了加熱和電離的失控過程,從而捕獲了更多的能量。氣體變得更加難以流動,並開始向內螺旋運動,最終落到脈衝星上。

氫氣像雨點一樣落在脈衝星表面,形成了一個不斷加深的全球「海洋」。在這一層的底部,溫度和壓力增加,直到氫核融合形成氦核,產生並釋放能量。

天文學家使用了一個名為愛丁頓極限的概念來描述恆星在輻射導致其膨脹之前的最大輻射強度。這一點在很大程度上取決於發射源上方物質的組成。

當爆發開始時,更好的數據顯示它的X射線亮度穩定了近一秒,然後再次以較慢的速度增加。研究人員將這種「停滯」解釋為爆炸產生的能量將脈衝星的氫層吹入太空。

火球繼續增加了兩秒鐘,然後達到了頂峰,吹走了更大的氦層。氦的膨脹速度更快,在氫層消散之前就超過了氫層,然後它們減速、停止,再回到脈衝星的表面。在這一階段之後,脈衝星短暫地變亮了約20%,其原因該團隊還不清楚。

在J1808最近一輪的活動中,NICER探測到另一個更微弱的X射線爆發,它沒有顯示出8月20日事件中觀察到的任何關鍵特徵。

除了探測不同層的膨脹,對爆炸的更好地觀測揭示了X射線從吸積盤反射出來,並記錄了「爆發振蕩」的閃爍。X射線信號在脈衝星的自旋頻率上升和下降,但發生在不同的表面位置,而不是產生正常X射線脈衝的熱點。

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