双中子星并合除了产生黑洞，也可能是磁星！

来源：科学通报

4月10日，人类拍摄的首张黑洞照片问世，引发全世界关注。

无独有偶，日前，中国科学技术大学薛永泉教授领衔的研究组，借助美国宇航局的钱德拉空间望远镜所完成的当今世界上最深最灵敏的X射线巡天观测——七百万秒钱德拉南天深场，发现了一个新型的来自约66亿光年外、持续约7小时的独特X射线辐射信号（称为CDF-S XT2，简称XT2）。各种关键观测数据均表明，该信号极有可能源于双中子星并合之后产生的磁星。这也证实了双中子星并合的直接产物除了黑洞，可以是大质量毫秒磁星。

遥远宇宙中神秘磁星的假想图（制图/王国燕 何聪）

中子星内部几乎全部由中子组成，是一种密度非常高、压强非常大、磁场非常强的致密天体。它的密度是水的一百万亿倍，压强是太阳的几百万亿倍，它的磁场达到108-1012高斯，是地球磁极磁场的上亿倍甚至上万亿倍。正是由于中子星这些极端的物理条件，使它成为检验基本物理规律绝佳的天然实验室。

主流的观点认为，双中子星并合的直接产物是黑洞；不过此前也曾有科学家预言，当中子星压强随着核物质密度的变大而显著增加，那么双中子星并合也可产生新的特殊的中子星——大质量毫秒磁星。

为此，专门采访了参与此项研究的中国科学院国家天文台空间科学研究部高能天体物理组孙惠博士。

此次发现的X射线信号有何独特之处？

此次从钱德拉深场巡天中发现的是一个明亮的X射线瞬时辐射——XT2，首先，它的光变曲线显示出从早期的平台期到后期的下降期的演化特征，这刚好符合磁星驱动模型的预言；第二个特点是这个X射线暂现源没有伽马射线的探测，是目前第一个没有与伽玛暴成协的磁星驱动的X射线暂现源；另外，XT2分布在它寄主星系的外沿，这和大部分短伽玛暴是一致的，这进一步证实了双中子星并合的起源。

XT2的X射线特征光变曲线（左上）与图像（下）及其相对寄主星系的位置（右上）

磁星能否再演化成为别的存在形式？

这里所谈论的磁星是毫秒磁星，它的转动周期在毫秒量级，这是非常快的。另外它的磁场比一般的中子星要强得多，大概是1015-1016高斯。这类毫秒磁星在快速旋转的过程中损失能量，自转的速度逐渐减慢。如果磁星的质量非常大，当它的离心力不足以帮助抵抗它的引力时，它就会塌缩成黑洞。如果它的质量没有那么大，它也可能演化成稳定的中子星。

双中子星并合的产物有几种可能？

双中子星并合具体的产物主要由并合产物的质量和中子星的物态方程决定。理论上来说，可能有四种产物，包括（1）直接塌缩成黑洞；（2）先形成持续时标在100毫秒左右的极大质量中子星，然后塌缩成黑洞；（3）先形成持续时标在几百至几千秒以上的超大质量中子星，然后塌缩成黑洞；（4）形成稳定的中子星，不塌缩成黑洞。

此次的结论“双中子星并合会产生磁星”与观点“双中子星并合会产生黑洞”并不冲突，双中子星并合产生磁星后，也可能进一步演化塌缩成黑洞。

该X射线暂现源的发现，意义是什么？

早在2006年，南京大学的戴子高教授等人就预言了双中子星并合可能会产生毫秒磁星。2013年，张冰教授预言了磁星会产生不与短伽玛暴成协的X射线辐射，相比伽玛暴的集束特征，这类X射线辐射可以在更大的张角内被观测到。

2017年，我们也推进了相关理论工作，进一步研究了此类X射线暂现源的光变和事件率。

在XT2发现之前，这些都是基于双中子星并合的理论模型的预言。这一暂现源的发现，首次直接地证实了这些理论预言，即双中子星并合的直接产物可以是毫秒磁星并且可以释放高能瞬时辐射。这是一个令人惊喜又是意料之中的发现，它为研究双中子星并合提供了一个全新的途径。另外，它也有力地约束了中子星的物态方程与磁场强度等基本物理。它表明中子星的物态方程必须是比较硬的，因而排除了一部分物态方程偏软的核模型。