中子星+中子星≠黑洞，=理論上不存在的大質量中子星！

Image©Nuria Jordana-Mitjans

英國 Bath 大學天文學家 Nuria Jordana-Mitjans 的研究團隊在分析GRB 180618A 的短伽馬射線暴後發現，事件源頭的兩顆中子星在合併後並非如預期變成黑洞，而是一顆高度磁化的中子星，而且其質量遠超過中子星理論質量上限，此外這顆磁星在塌縮成黑洞前似乎已經存在超過一天，而如此巨大的中子星，壽命也不可能這麼長。

恆星演化模型推測，8到30倍M⊙的恆星在其生命盡頭會發生超新星爆炸，核心塌縮成中子星，質量約在1.1～2.3 M⊙間，直徑約20公里，超過中子星質量上限者則會塌縮成黑洞。但小於5個M⊙的黑洞卻明顯很少，其原因不明，因此天文學家對兩顆中子星碰撞的結果特別感興趣。

當中子星相撞時會釋放出短暫的伽馬射線暴。過去天文學家曾認為這個現象只有在形成黑洞的過程才會出現，但中子星是如何合併成黑洞？是瞬間形成？還是先產生一顆很重的中子星，然後在幾百毫秒內迅速塌縮成黑洞？

研究團隊所分析的 GRB 180618A 是在2018年6月18日被偵測到的一起短伽馬射線暴事件，經過106億年才到達地球。Jordana-Mitjans 和她的團隊對爆發的千新星與餘輝做了詳細的觀測分析。他們發現餘輝的光學輻射在伽馬射線爆發35分鐘後消失了，推測是因為它正以接近光速的速度膨脹，但這與黑洞不同，而更像是中子星的特性，而且不是普通中子星，而是磁星，其磁場比普通中子星強1,000倍，比地球磁場強4億倍，而且持續超過10萬秒（近28小時）。也就是說這顆磁星在雙中子星合併後至少存活了一天。天文學家不清楚是什麼機制讓它活了這麼久，磁場是可能的原因之一，它提供了一個向外的拉力，減緩了磁星的坍塌。

這項發現說明除了黑洞之外，超大質量中子星形成時也會產生短伽馬射線暴，這也為搜尋中子星合併與重力波提供了一種新方法。

The Astrophysical Journal

撕裂一顆中子星要多久？黑洞兩秒鐘吃給你看！

還記得嗎？七年前，也就是2015年的9月14日，LIGO首次偵測到重力波，6個月後公諸於世，第二年馬上得到諾貝爾物理獎。科學家到現在總共已經觀察到90次重力波事件，這些重力波的來源有些是兩個黑洞合併、有些是兩個中子星合併，也有少數是從一個黑洞、一個中子星，這樣的雙星系統合併而產生的，這種情況除了產生重力波以外，還會伴隨著強烈的輻射，包括短伽馬射線暴，可以讓天文學家對合併過程有更完整的瞭解。不過這樣的機會並不多，90次重力波事件中，只有3次是中子星和黑洞的合併。

不過儘管只有3次，日本京都大學的井口林教授所帶領的團隊，和德國Max Planck學會的天文學家，還是盡可能從中收集了許多資料。在2017年8月17日的 GW170817這次事件中，除了重力波以外，還偵測到合併事件所產生的電磁輻射。於是研究團隊開始建模（就是建立模型），用各種不同星體參數帶入電腦模擬，看看哪一種參數所產生出來的重力波和電磁輻射特性最接近實際的觀測數據，就可以找出參與合併的黑洞和中子星參數。

他們為這次事件建立了兩個模型，中子星的質量都設定在 1.3倍太陽質量，黑洞質量則分為是 5.4和 8.1倍太陽質量。因為在這樣的設定下，中子星最有可能被黑洞的潮汐力撕碎。參數選定後，就用電腦來模擬中子星和黑洞合併前的最後一到兩秒內的詳細過程，雖然只是兩秒鐘的過程，但是電腦卻得花上兩個月的時間來近行運算，因為在這短短兩秒鐘裡發生了太多複雜又短暫的事件，包括最後軌道的合併、中子星被潮汐力撕裂、它的物質被黑洞攫取到周圍形成吸積盤，一直到吸積盤產生噴流，而這種高能噴射流很可能就是短伽馬射線暴來源，而且在噴出的物質中應該會合成像金、鉑之類的重元素，不過還需要進一步證實。總之，這一切都在短短兩秒鐘內完成。

就像前面說的，根據電腦模擬，中子星在幾秒鐘內就被潮汐力撕裂了，大約80%的中子星物質，會在幾毫秒內被黑洞攫取過去，讓黑洞增加一個太陽質量，接下來的10毫秒內，也就是百分之一秒，形成一個單臂的螺旋形結構，一部分物質從噴流中被噴出來，剩下的0.2-0.3倍太陽質量的物質呢，就在黑洞周圍形成一個吸積盤。合併完成後，吸積盤也落入黑洞，產生電磁輻射和噴流，從兩極噴出，就類似活躍星系核（AGN），也可能產生短暫的伽馬射線暴。

因為這類的相對論性模擬工作太複雜了，所以世界各國的研究小組到目前為止都只能專注於短期的模擬。不過柴田的團隊已經進一步在研發更複雜的數值模擬方法，來模擬中子星的合併，讓電腦模擬技術和近年來突飛猛進的高靈敏觀測保持同步。預計在未來幾年裡，靈敏度更高的望遠鏡和干涉儀就可以觀測到更多的細節，包括噴流和強烈的輻射，也可能包括短伽馬射線暴，到時候就可以和研究小組所進行的模擬結果進行比對，檢驗模型的正確性。

模擬中，左邊以藍色和綠色顯示密度，粉紅色的曲線是穿過黑洞的磁力線，白色從系統中噴出來的物質。右邊則以紅色顯示合併的磁場強度，淺藍色的曲線是磁力線。

費米泡的神秘伽馬射線可能並非來自銀河系，新發現甚或影響暗物質搜尋策略

費米伽馬射線太空望遠鏡的資料顯示銀河系平面（藍色）和上、下方的費米泡（紫色）。Image©NASA Goddard Space Flight Center

費米泡是費米伽馬射線太空望遠鏡在2010年所發現，向銀河系平面上、下方總延伸達5萬光年，並以每小時數百萬公里速度擴張的高能幅射結構。天文學家對這項發現非常有興趣，過去一直推測它與銀河系核心的超巨質量黑洞有關。

費米泡發出的伽馬輻射並非完全均勻分佈，天文學家在2011年在費米泡南側這邊發現有個「繭」，推測是銀河超級泡的一部分。不過由澳洲國立大學天文物理學家Roland Crocker領導的團隊最近發現，這個繭的位置與人馬座矮橢球星系的核心位置完全重合，這個矮橢球星系是銀河系的一個衛星星系，正被撕碎吞噬。這樣巧合的機率只有1%，而且有趣的是，繭的形狀和方向都和人馬座矮橢球星系相近，雖然兩者的距離無法精確測出，無法斷定費米泡的來源就是這個繭，但像這樣在一個大的伽馬射線結構中看到另一個伽馬射線結構，況且它們的形狀和方向都相似，很難不聯想兩者間有密切的關係！

Image©NASA Goddard Space Flight Center

因此研究人員決定重新審視這個繭，看看在矮星系中是否能找到產生伽馬輻射的可能機制。在銀河系中，伽馬射線主要是由宇宙射線和星際介質中的氣體碰撞所產生。但這對人馬座星系來說不太可能，因為它的氣體早在20到30億年前就已經被銀河系剝離，當中也沒有大質量恆星發生超新星爆炸來釋出氣體。

研究小組改從其他方面下手，最有可能的解釋是毫秒級脈衝星，這類脈衝星是以超新星爆炸後所殘留的極高速自轉中子星，週期以毫秒為單位；當它們旋轉時會從兩極射出輻射噴流，包括伽馬射線。研究人員表示，儘管與仙女座星系等其他星系相比，銀河系費米泡的伽馬輻射似乎很強，但若這些脈衝星有70到80億年的歷史，而且金屬含量低，就有可能，而人馬座矮橢球星系中的正是金屬豐度低的恆星，顯示矮橢球星系可能會產生比預期更多的伽馬輻射。

若真是如此，它們可能會與搜尋暗物質的線索混淆，而搜尋暗物質的策略可能也得調整。天文學家認為暗物質粒子和反粒子相互湮滅時會發出過量的伽馬輻射，所以伽馬輻射是搜尋暗物質的重要線索之一，當然，我們對矮橢球星系也得重新認識。

Nature Astronomy