中子星合并会发出信号？闪闪发光预示着什么？

一位艺术家描绘了合并前夕的两颗中子星

（图源：NASA/Goddard Space Flight Center）

研究人员已经发现了一种新方法，事先探测到宇宙中最灾难性的合并事件。

中子星是大型死亡恒星致密的核心，它们相互螺旋靠近或进入黑洞时，可以在中子星周围的重带电粒子群中引起潮汐波。研究人员发现，此类潮汐波通过电磁辐射的规律闪光显现，而这能够作为即将发生合并的早期预警系统。

中子星可以说是宇宙中最极端的星体。是的，黑洞可能更奇特，但黑洞相对较简单——它们只是拥有巨大的引力。相比之下，中子星本质上是巨型原子核，具有许多黑洞不具备的奇特、复杂的物理现象。

典型的中子星直径仅有几千米，但重量却是太阳的几倍。中子星几乎全部是由中子组成（也因此而名为“中子星”），但也包含一定数量的松散电子、质子和重核离子。中子星诞生于超新星（垂死的巨型恒星爆炸的产物），部分中子星甚至拥有宇宙中最强大的磁场。

中子星的压力和密度大到超出我们的目前的物理知识范围，因而其内部对我们来说极度神秘。一些模型表明，中子星内核仅是一个均匀的中子团，而另一些模型暗示中子星分裂成组成自身的夸克。在内核之外还存在着一大块坚固平滑的中子，逐渐转换成一个更复杂的模式，例如，块状物和条状物，统称为“核面团”。

普遍认为，中子星的外壳是由超流体电子和中子组成，两者越靠近就会形成晶格。最终，就会有一片由深度10到100米（33到330英尺）不等的流体电子、中子和离子组成的海洋。

观察中子星的奇异行为

在这种情况下，物质极其奇特的性质（通常不会在周围发现超流体中子）导致中子星成为研究极端物理学的的主要对象。这一想法在发现GW 170817后得到巩固。GW 170817是两颗中子星正在合并时爆发电磁而探测到的一个引力波信号。这种被称为“多信使天文学”（multimessenger astronomy）的联合探测使物理学家能够前所未有地探索中子星的核心。

但自2017年第一次探测到引力波以来，我们再也没有发现其他中子星合并的事件，令人沮丧，因为中子星是自然界测试高能物理的最佳实验室之一。

但现在，一种观测中子星奇异行为的新方法不会让我们等太久。新方法的论文于5月发布在预印数据库arXiv上，重点关注中子星海洋，这片海洋除了包含自由电子和中子之外，还包含碳、氧和铁。尽管这片海洋比中子星的整体深度浅，但它是中子星最外层（不包括薄到极致的“大气层”），也是中子星最容易与外部宇宙发生反应的部分。

特别是，研究人员发现这些较浅的海洋能够为潮汐提供支持，就像地球中的海洋一样。但是在中子星掀起潮汐需要许多引力拉力，抵抗极端引力。中子星的潮汐仅在中子星足够接近一个致密物体时才会出现，如其他中子星或黑洞。

值得庆幸的是，这种双星体合并的现象较为常见。随着恒星逐渐在多个系统中形成，按照生命周期继续发展，最终留下黑洞和中子星的组合。

奇特的光屋

一颗中子星开始和另一颗中子星或黑洞合并的时候，两颗中子星需要几年时间慢慢螺旋运动靠近彼此。随着中子星绕轨道而行，引力潮带着能量离开自身所处星系，拉近两颗中子星的距离。最终，合并在几秒时间内结束。

但在合并发生前，绕轨道而行的伴星能在中子星掀起一系列的共振潮汐。这些潮汐能够保持100兆赫的频率，并携带10^29焦耳的巨大能量。为了让你感受到这些数字的惊人之处，全人类每年仅使用10^29焦耳的能量。单个中子星共振潮汐波的能量超过了太阳照射10,000年的全部能量输出。

和海洋潮汐能不同，这些潮汐是由等离子群构成。极端的电荷意味着，潮汐不断涌动，喷射出强烈的电磁辐射，变成我们所能看见的X射线和伽马射线的闪光。

研究人员根据计算预估，像费米伽马射线太空望远镜和核光谱望远镜阵列（NuSTAR）这样的空间观测站，每年能够探测到许多螺旋行进的中子星，而这些信号会在最终合并前几年出现。

有了这些预警信号，天文学家可以准备好望远镜和观测台，捕获合并的瞬间，并深挖更宝贵的电磁波和引力波数据。

BY:Paul Sutter

FY:朱思颖Haily

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