04? 與眾不同的一例長伽馬射線暴

GRB 211211A的藝術(shù)圖讨盒。圖源: Anyu Lei and Jing Chen, Nanjing University School of Arts

最近，一例獨特的伽馬射線暴(GRB)的發(fā)現(xiàn)术奖，挑戰(zhàn)了GRB形成的流行理論。天文學(xué)家基于這例“古怪”的爆發(fā)為GRB提出了一種新的模型和形成來源松忍。與這例GRB相關(guān)的三篇學(xué)術(shù)論文發(fā)表于2022年12月7日的《自然》雜志愉阎，其中一篇關(guān)于GRB新模型的論文由南京大學(xué)的天文學(xué)家領(lǐng)銜完成。

GRB是已知存在于宇宙中的最明亮拳恋、最猛烈的電磁爆發(fā)，其釋放的能量一般與太陽在整個100億年生命周期內(nèi)產(chǎn)生的總能量相當(dāng)砸捏。目前觀測到的GRB通常被分為兩類谬运。一種為短GRB，爆發(fā)持續(xù)時間不超過兩秒垦藏，被認(rèn)為起源于兩顆中子星梆暖、或一顆中子星與一個黑洞的碰撞，并與暗弱的光學(xué)暫現(xiàn)源千新星相關(guān)聯(lián)掂骏。另一種為長GRB轰驳，爆發(fā)可以持續(xù)長達幾分鐘，被認(rèn)為起源于大質(zhì)量恒星的死亡弟灼，與超新星爆發(fā)相關(guān)聯(lián)级解。幾十年來，觀測到的GRB都很好地被歸入這兩個類別田绑。然而現(xiàn)在勤哗，情況發(fā)生了變化。

2021年12月11日掩驱，被命名為GRB 211211A的GRB觸發(fā)了多個太空伽馬射線探測器芒划，監(jiān)測后得到它的爆發(fā)時長約為70秒。這種分鐘量級的爆發(fā)通常被歸類為長GRB欧穴，研究人員起初并未懷疑其有任何異常民逼。之后，研究人員使用一系列望遠鏡在多個波段對其進行了后續(xù)觀測苔可，并發(fā)現(xiàn)了奇特之處缴挖。研究人員在近紅外圖像中發(fā)現(xiàn)了一個暗弱的天體并迅速變暗消失袋狞。由于超新星通常會經(jīng)歷變亮的過程焚辅，并且變暗的不會如此迅速映屋，天文學(xué)家意識到這其中可能有所不同。此外同蜻，相比更紅的波段棚点，觀測到的天體在更藍的波段光度衰減的更快，這是千新星的特征湾蔓，而千新星的唯一來源是中子星并合瘫析。這就是說GRB 211211A這個長GRB可能是由中子星并合所引發(fā)的，與通常長GRB的來源完全不同默责，而更類似于短GRB的來源贬循。

基于觀測數(shù)據(jù)，南京大學(xué)的天文學(xué)家提出了新模型來解釋這次事件的起源桃序。研究人員認(rèn)為杖虾，GRB 211211A可能是通過中子星和白矮星之間的碰撞而形成的，即所謂的WD-NS并合媒熊。白矮星是地球大小的天體奇适，由質(zhì)量小于8倍太陽質(zhì)量的小質(zhì)量恒星死亡后形成。白矮星具有中等密度芦鳍，這使它們成為GRB 211211A的理想起源嚷往，因為GRB 211211A顯示出的中等長度的持續(xù)時間不涉及大質(zhì)量恒星。研究人員建模發(fā)現(xiàn)如果WD-NS并合留下一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星柠衅，即磁星皮仁，那么來自磁星的額外能量注入與GRB爆發(fā)期間拋出物質(zhì)的核反應(yīng)能量相結(jié)合，可以解釋觀測到的千新星的輻射菲宴。

GRB 211211A這種奇特的GRB是有史以來發(fā)現(xiàn)的第一例魂贬。宇宙的奧秘仍然持續(xù)令天文學(xué)家驚嘆，每一次新的觀測都有機會加深或顛覆我們對宇宙的理解裙顽。

05? 巧克力果仁糖般的中子

不同質(zhì)量的中子星的藝術(shù)圖付燥。圖源: Peter Kiefer 和 Luciano Rezzolla

中子星是宇宙中密度最大的天體之一。自從60多年前被發(fā)現(xiàn)以來愈犹，中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對物理學(xué)家和天文學(xué)家來說仍然是個謎键科。最新的一項理論分析工作，可能會使破解謎題的工作更進一步漩怎。

當(dāng)質(zhì)量為10-25倍太陽質(zhì)量的超巨星在燃料燃燒殆盡時勋颖，其核心區(qū)域1-3倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)會在引力作用下坍縮，電子和質(zhì)子會被推向彼此形成中子勋锤，最終形成形成中子星饭玲。中子星的大小一般與一個普通大城市相當(dāng)∪矗可想而知茄厘，1-3倍的太陽質(zhì)量被壓縮到一個直徑與大城市相當(dāng)?shù)那蝮w中矮冬，其致密程度會超乎想象。實際上次哈，一茶匙中子星物質(zhì)的質(zhì)量就能達到約1012千克的量級胎署。

由于距離地球至少數(shù)光年，從觀測上直接研究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很困難的窑滞，并且中子星內(nèi)部的極端致密條件目前也無法在地球上的實驗室中重現(xiàn)琼牧，這都為研究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來重重挑戰(zhàn)。目前哀卫，科學(xué)家還是主要利用各種模型來模擬中子星巨坊。建模中會使用“狀態(tài)方程”來描述中子星的各種性質(zhì)，比如溫度此改、密度等抱究，從而構(gòu)建中子星從表面到內(nèi)核的結(jié)構(gòu)。最近带斑，德國法蘭克福大學(xué)的物理學(xué)家們在2022年11月10日的《天體物理學(xué)雜志快報》上發(fā)表的研究結(jié)果鼓寺，為中子星的狀態(tài)方程和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)添加了更多重要且關(guān)鍵的信息。

研究團隊為中子星開發(fā)了超過一百萬個不同的狀態(tài)方程勋磕。這些方程一方面滿足理論核物理數(shù)據(jù)所設(shè)置的限制妈候，另一方面也滿足天文觀測數(shù)據(jù)的約束。研究人員通過分析聲波在中子星模型中的傳播速度來獲得中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息挂滓。聲波在物質(zhì)中的傳播速度可以告訴科學(xué)家該物質(zhì)的硬度或軟度苦银。在地球上，聲波被用來探索我們星球的內(nèi)部赶站，包括尋找石油礦藏幔虏。結(jié)果揭示了一些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：“輕”中子星（質(zhì)量小于1.7個太陽質(zhì)量）具有柔軟的地幔和堅硬的內(nèi)核，而“重”中子星（質(zhì)量大于1.7個太陽質(zhì)量）則相反贝椿，具有一個堅硬的地幔和一個柔軟的內(nèi)核想括。形象一些比喻，這有點像巧克力果仁糖：輕中子星就像中間有一顆榛子烙博，周圍是軟巧克力瑟蜈；而重中子星可以被認(rèn)為更像那些硬殼包含軟餡的巧克力。此外渣窜，研究人員發(fā)現(xiàn)無論質(zhì)量如何铺根，中子星的直徑可能都保持在24千米左右，大致相當(dāng)于青島這座城市的大小乔宿。

該研究進行的廣泛的數(shù)值模擬位迂，不僅使中子星的半徑和最大質(zhì)量可以被預(yù)測，而且還能對中子星在雙星系統(tǒng)中的形變度給予新的限制，也就是探索中子星在引力場的作用下扭曲的強度掂林。這些對于未來的天文觀測限制狀態(tài)方程臣缀，以及對于探測恒星并合引發(fā)的引力波都非常重要。

06? 解密參宿四“大暗淡”

歐南臺的甚大望遠鏡對參宿四的觀測圖像党饮。最左邊的圖像拍攝于2019年1月，顯示了恒星的正常亮度驳庭，而其余的三張圖像都是在參宿四亮度明顯下降時拍攝的刑顺，尤其是在其南部區(qū)域。參宿四亮度在2020年4月恢復(fù)正常饲常。

對天文熱點事件保持關(guān)注的讀者們都有印象蹲堂，在2019年底，參宿四（獵戶座α）變暗了約60%贝淤，天文學(xué)家一直在試圖解釋這次變暗的事件柒竞。最近，一項的研究對此找到了新的線索播聪。

參宿四是一顆紅超巨星朽基，是天空中第十亮的恒星，處于獵戶座的肩膀位置离陶，非常容易辨認(rèn)稼虎。如果把參宿四放在我們的太陽系中，它會吞沒內(nèi)太陽系所有的巖石行星招刨，并延伸到火星和木星之間的小行星帶霎俩。像參宿四這樣的紅超巨星也非常明亮，盡管它們的溫度相對較低沉眶，但憑借其巨大的表面積打却，它們?nèi)匀豢梢园l(fā)出大量的光。

令天文學(xué)家感到非常驚訝的是谎倔，2019年底參宿四無緣無故地變暗了柳击。變暗的過程持續(xù)了整個2020年初。最暗時片习，參宿四的絕對亮度只有平時的約60%腻暮。到了2020年2月，參宿四停止了變暗毯侦，并再次開始變亮哭靖，現(xiàn)在它的亮度已經(jīng)恢復(fù)到了正常水平。天文學(xué)家擁有之前半個世紀(jì)的關(guān)于參宿四的記錄侈离。在這些記錄中试幽，并沒有和2019年變暗相類似的事件。因此，無論是什么導(dǎo)致了現(xiàn)在被稱為參宿四“大暗淡”的現(xiàn)象铺坞，都一定是非同尋常的起宽。

無論是什么導(dǎo)致的變暗，這一定是來自參宿四本身以外的情況济榨，而不是由于參宿四內(nèi)部活動的變化坯沪。這是因為聚變反應(yīng)的變化不會在短短幾個月內(nèi)停止和開始，其變化的時間尺度遠遠長于幾個月擒滑。天文學(xué)家提出了許多可能性腐晾，其中一種可能性是參宿四外層大氣的形狀發(fā)生了變化，導(dǎo)致其亮度發(fā)生了變化丐一。當(dāng)一顆恒星快速旋轉(zhuǎn)時藻糖，天文學(xué)家可以看到其大氣形狀的改變導(dǎo)致的亮度變化。這是因為旋轉(zhuǎn)會使恒星的形狀在赤道區(qū)域更凸出库车。這使得赤道區(qū)域的大氣離核心更遠巨柒，即離能量來源更遠，從而溫度下降柠衍，進而亮度變暗洋满。

然而，參宿四的自轉(zhuǎn)速度不夠快珍坊，因此這不會是其變暗的根源芦岂。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)以外的其他因素也會導(dǎo)致恒星的赤道區(qū)域凸起。如果有一個隨機的垫蛆、隱藏的訪客禽最，比如一個小黑洞，運動到離參宿四足夠近袱饭，它可能會在其表面引發(fā)潮汐川无。有了潮汐隆起，參宿四的赤道區(qū)域就會變暗虑乖，它的整體亮度也就會變暗懦趋。一旦訪客離開，參宿四大氣的所有部分會回到正確的位置疹味，恢復(fù)到正常的亮度仅叫。來自美國鮑登學(xué)院的天文學(xué)家對這種假設(shè)進行了研究。他們模擬了一些不同質(zhì)量和速度的隱藏訪客糙捺，發(fā)現(xiàn)這種情況不能完全解釋參宿四60%的變暗诫咱。但是，研究人員認(rèn)為訪客的通過可能會造成其他影響洪灯，比如參宿四某些區(qū)域的強烈爆發(fā)坎缭，大量噴出的物質(zhì)可能會短暫地遮擋住我們對參宿四的觀測。結(jié)合由潮汐引起的變暗，總的影響可以解釋參宿四的大暗淡掏呼。該研究結(jié)果發(fā)表于2022年11月的《皇家天文學(xué)會月刊》坏快。