IT之家 2 月 1 日消息，美國國家航空航天局（NASA）研究人員通過超級計(jì)算機(jī)模擬，首次系統(tǒng)性揭示了兩顆中子星在最終相撞前，其周圍磁層纏結(jié)、重構(gòu)的復(fù)雜物理過程，并識別出潛在的可觀測高能信號。
由希臘帕特拉斯大學(xué)研究生迪米特里奧斯 · 斯基亞薩斯領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，針對兩顆質(zhì)量均為 1.4 倍太陽質(zhì)量的中子星（IT之家注：直徑僅 24 公里）系統(tǒng)，使用“昴星團(tuán)”（Pleiades）超級計(jì)算機(jī)完成百余次模擬，重點(diǎn)分析并合前最后約 7.7 毫秒內(nèi)的磁層劇變。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在并合前最后時(shí)刻可能產(chǎn)生了高能電磁信號，這些信號有望被未來的天文觀測設(shè)備探測到。
“當(dāng)中子星即將碰撞時(shí)，充滿等離子體的強(qiáng)磁化區(qū)域 —— 磁層開始劇烈互動，”在 NASA 戈達(dá)德太空飛行中心開展研究的斯基亞薩斯解釋稱，“我們捕捉到磁場纏結(jié)結(jié)構(gòu)的急速演化，并建模了潛在可觀測信號。”
中子星合并會產(chǎn)生“宇宙最強(qiáng)爆炸”伽馬射線暴（GRB），以往研究主要集中在并合本身及其后期效應(yīng)，包括近光速噴流、引力波以及產(chǎn)生金、鉑等重元素的“千新星”爆發(fā)現(xiàn)象。而 2017 年一次觀測首次同時(shí)觀測到伽馬射線暴、引力波與千新星元素合成三重視證，驗(yàn)證了長期以來的理論預(yù)測。
此次研究則將重點(diǎn)放在并合前階段。研究團(tuán)隊(duì)指出，在中子星即將相撞前，其高度磁化、充滿等離子體的磁層開始發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，磁力線不斷連接、斷裂并重組，形成劇烈變化的磁結(jié)構(gòu)。
NASA 共同作者康斯坦丁諾斯 · 卡拉波塔拉科斯表示，這一過程中，磁層表現(xiàn)為不斷“自我重連”的磁路系統(tǒng)，電流在接近光速運(yùn)動的等離子體中流動，快速變化的磁場加速粒子并產(chǎn)生高能輻射。
模擬結(jié)果顯示，輻射強(qiáng)度和分布高度依賴觀測視角和中子星磁場相對取向，并在兩星距離縮小時(shí)顯著增強(qiáng)。
NASA 戈達(dá)德中心合作研究者卡拉波薩拉科斯描述稱，“變化的磁場加速粒子至遠(yuǎn)超地球加速器的能量水平?！毖芯匡@示，新生中子星磁場強(qiáng)度可達(dá)“冰箱磁鐵”的 10 萬億倍，足以將伽馬射線直接轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對。
簡單來說，該系統(tǒng)可產(chǎn)生能量高達(dá)可見光數(shù)萬億倍的伽馬射線，但在極強(qiáng)磁場環(huán)境中，這類最高能量的伽馬射線會迅速轉(zhuǎn)化為電子和正電子對，難以直接逃逸。然而，能量較低（約為可見光百萬倍）的伽馬射線仍可能從系統(tǒng)中逃逸，并進(jìn)一步產(chǎn)生 X 射線等較低能級輻射。
此次模擬同時(shí)計(jì)算了作用于星體表面的電磁應(yīng)力。戈達(dá)德中心科學(xué)家卡扎尼斯指出：“磁應(yīng)力雖弱于引力，但在強(qiáng)磁化系統(tǒng)中持續(xù)累積，其效應(yīng)可能烙印在下一代引力波探測信號中。”
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)輻射分布存在顯著方向性，光信號的亮度和空間分布具有明顯方向性差異。同時(shí)，隨著兩星距離不斷縮小，信號強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其變化與兩顆中子星磁場取向密切相關(guān)?！坝^測者視角至關(guān)重要 —— 信號亮度分布不均且隨雙星逼近急劇增強(qiáng)，”馬里蘭大學(xué)合作者瓦迪辛格強(qiáng)調(diào)。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來中能段伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（特別是具備大視場能力的設(shè)備），若能結(jié)合引力波探測器提供的提前預(yù)警和精確定位信息，有望在并合前階段探測到這些電磁信號。
目前，LIGO（美國）和 Virgo（意大利）等地面引力波探測器已可在 10 至 1000 赫茲頻段探測中子星并合事件，并支持快速電磁跟蹤觀測。
此外，NASA 與歐洲航天局（ESA）正在合作推進(jìn)空間引力波探測項(xiàng)目 LISA（激光干涉空間天線），計(jì)劃于 2030 年后發(fā)射升空。LISA 將以更低頻段探測更早期演化階段的中子星雙星系統(tǒng)，為并合前長期監(jiān)測提供條件。
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