銀河系中最亮的伽馬射線雙星系統可能是由一顆磁星驅動的

2020-12-04 明明明玉米粥

一個研究小組分析了以前收集的數據來推斷一個緊湊的物體的本質是一個旋轉的磁星,一種中子星極強的內磁field-orbiting LS 5039,星系中最亮的伽馬射線雙星系統。

該小組還表明,粒子加速過程發生在LS 5039是由密集的恆星風之間的相互作用的主要大質量恆星,和超強磁場的旋轉磁星。

伽馬雙星是一個由大質量、高能量恆星和緻密恆星組成的系統。直到最近，也就是2004年，人們才發現了它們。當時，人們可以從足夠大的天空區域觀測到特電子伏(TeV)波段的極高能伽馬射線。在可見光下觀察，伽馬雙星看起來是明亮的藍白色恆星，與任何其他擁有大質量恆星的雙星系統沒有區別。然而，當用x射線和伽瑪射線觀察時，它們的性質與其他雙星有顯著的不同。在這些能量帶中，普通的雙星系統是完全看不見的，但是伽馬射線雙星產生強烈的非熱發射，它們的強度似乎根據其軌道周期從幾天到幾年的變化而增減。

一旦伽瑪射線雙星作為一個新的天體物理類別被確立，人們很快就認識到一個極其有效的加速機制應該在它們裡面運行。在超新星殘骸中加速TeV粒子需要幾十年的時間，這是著名的宇宙加速器，而伽馬射線雙星僅僅在幾十秒內就能將電子能量提升到1tev以上。因此，伽馬射線雙星可以被認為是宇宙中最有效的粒子加速器之一。

此外，一些伽馬射線雙星還會發射高能伽馬射線，其能量可達數兆電子伏特(MeV)。這個波段的伽馬射線目前很難觀測;在整個天空中，只有大約30個天體探測到它們。但事實上，這樣的雙星即使在這個能量帶內也會發出強烈的輻射，這極大地增加了圍繞它們的神秘感，並表明它們內部正在進行一種極其有效的粒子加速過程。

迄今為止，在該星系中已經發現了大約10個伽馬射線雙星，而已知存在的x射線雙星超過300個。為什麼伽馬射線雙星如此罕見還不為人所知，事實上，直到現在，它們加速機制的真正本質還是一個謎。

通過之前的研究,已經清楚,伽馬射線二進位通常是由一個巨大的主恆星,重質量的20 - 30倍太陽伴星,必須是一個緊湊的明星,但目前還不清楚,在許多情況下,緊湊的明星是否一個黑洞或中子星。研究小組通過弄清哪種情況是普遍的開始了他們的嘗試。

中子星存在的最直接證據之一是探測到與中子星自轉有關的周期性快速脈動。從伽馬射線雙星探測到這樣的脈衝幾乎毫無疑問地拋棄了黑洞的設想。

在這個項目中，研究小組專注於2005年發現的ls5039，它仍然是x射線和伽馬射線範圍內最亮的伽馬射線雙星。事實上，這個伽馬射線雙星被認為包含一顆中子星，因為它有穩定的x射線和TeV伽馬射線輻射。然而，到目前為止，探測這類脈衝的嘗試都是用無線電波和軟x射線進行的——由於無線電波和軟x射線會受到主星星風的影響，因此對這種周期性脈衝的探測一直沒有成功。

這一次,第一次,團隊成員集中在硬x射線波段(> 10 keV)和觀測數據從LS 5039年收集的硬x射線探測器(HXD)在太空望遠鏡Suzaku望遠鏡(2007年9月9日至15日)和NuSTAR(2016年9月1日至5日)——實際上,為期六天Suzaku望遠鏡觀測時期最長的未使用硬x射線。

這兩次觀測相隔9年，但都提供了在ls5039核心存在中子星的證據:「朱雀號」發出的周期約為9秒的信號。這個信號來自統計波動的概率只有0.1%。NuSTAR也顯示了一個非常相似的脈衝信號，儘管脈衝的重要性較低——例如，NuSTAR的數據只是試驗性的。結合這些結果，還可以推斷出自旋周期以每年0.001 s的速度增加。

根據推導出的自旋周期及其增長速度，研究小組排除了旋轉驅動和吸積驅動的情況，並發現中子星的磁能是唯一能驅動LS 5039的能量來源。所需磁場達到1011 T，比典型中子星高3個數量級。這個值是在所謂的磁星中發現的，磁星是中子星的一個亞類，具有極強的磁場。9秒的脈衝周期是典型的磁星,這強磁場可以防止主恆星的恆星風被捕捉到一顆中子星,這可以解釋為什麼LS 5039不展覽屬性類似於x射線脈衝星(x射線脈衝星通常發生在x射線雙星系統,恆星風在哪裡被其伴星)。

有趣的是，到目前為止發現的30顆磁星都是孤立的恆星，所以它們存在於伽馬雙星中並不是主流觀點。除了這個新的假設，研究小組還提出了一個為LS 5039內部的非熱發射提供能量的來源——他們提出，這種發射是由磁星磁場和密集的恆星風之間的相互作用造成的。事實上，他們的計算表明，在靠近磁星的極強磁場區域產生的伽馬射線，其能量可以達到數兆電子伏(目前尚不清楚)。

這些結果潛在地解決了ls5039內緻密物體的本質之謎，以及驅動這個雙星系統的底層機制。然而，需要進一步的觀察和改進他們的研究，以闡明他們的發現。

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