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加州大学伯克利分校新闻

天文学家在附近的星系中发现了磁星爆发的特征

a colorful image of a gamma ray burst from a highly magnetized neutron star, or magnetar, wth lines escaping from a glowing planet

这是一位艺术家在磁星(一种高度磁化的中子星)的磁场中描绘的打嗝现象。磁力线之间的重新连接产生了短的伽马射线爆发(洋红色)和粒子流(明亮的斑点),当粒子流撞上恒星的弓形激波时产生了第二次伽马射线爆发。(图片来自美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯,USRA/GESTAR)

除了黑洞,磁星可能是宇宙中最极端的恒星。它们的直径还不到曼哈顿的长度,但质量却比太阳还大,拥有所有已知物体中最大的磁场——比冰箱磁铁强10万亿倍——并且每隔几秒钟就自转一次。

磁星是一种中子星——超新星爆炸的残留物——它的磁化程度非常高,即使磁场中轻微的扰动也能引起x射线的爆发,这种爆发会持续几周或几个月。

这些奇异的致密恒星也被认为是一些类型的短伽马射线爆发(GRBs)的来源:自20世纪70年代首次探测到这种高能辐射的明亮闪光以来,天文学家一直感到困惑。在银河系中已经发现了几个这样的巨型磁星耀斑。而是因为他们是如此强烈,他们的探测器,和观察星系内被灰尘、太空科学家凯文·赫尔利在加州大学伯克利分校,一个由天文学家组成的国际团队一直在寻找这些耀斑在星系外自己的清晰视图。

45年的努力偿还。短的伽马射线爆发检测到去年4月15日从1140万亿光年外的星系显示了一个明确的签名,赫尔利认为可以帮助天文学家发现迈格尼塔更容易破裂,最后收集所需的数据检查的许多理论解释磁星和伽马射线耀斑。

“自1979年以来,我们已经探测到四次银河系外的巨型磁星耀斑,其中两次几乎完全相同,来自不同的星系,”赫利说,他是加州大学伯克利分校空间科学实验室的高级太空研究员。“这让我们相信,可能会出现某种模板,帮助我们在未来更快地识别它们。”我希望这一步伐现在能够加快,因为我们更清楚自己在寻找什么。”

赫尔利和三位同事将在1月13日星期三举行的美国天文学会年会上报告美国和欧洲卫星发现的GRB及其意义,并同时发表在《自然》和《自然天文学》杂志上的三篇论文。

巨大的磁星暴

grb是宇宙中最强大的爆炸,可以在数十亿光年的范围内探测到。大多数持续时间不到两秒的grb被称为短grb,发生在一对绕轨道运行的中子星螺旋状相互融合的时候。天文学家在2017年证实了至少一些短grb的这种情况,当中子星在1.3亿光年之外合并时产生的引力波(时空中的涟漪)到达后爆发。

4月15日,一束短暂的高能光扫过太阳系,触发了NASA许多任务上的仪器。现在,多个国际科学团队得出结论,爆炸来自于邻近星系中被称为磁星的超磁化恒星残骸。(视频由nasa 6037s戈达德太空飞行中心提供)

但并不是所有的短grb都符合中子星合并的特征,Hurley说。具体来说,在我们银河系中已知的29颗偶有x射线活动的磁星中,有两颗产生了巨大的耀斑,这与这些合并产生的爆发不同。

最近的一次探测是在2004年12月27日,尽管从距离地球2.8万光年的一颗磁星上喷发出来,但那次事件还是给地球上层大气带来了可测量的变化。

自20世纪70年代末以来,赫尔利一直在运行星际网络(IPN),一个24/7的努力来研究来自许多航天器的数据——目前有5个航天器,每年捕获大约325次伽马暴——希望找到更多的巨型磁星耀斑。这个网络是捕捉2020年4月15日耀斑的关键。

美国东部时间周三凌晨4点42分前不久,一股短暂而强大的x射线和伽马射线暴扫过火星,触发了美国宇航局火星奥德赛号探测器上的俄罗斯高能中子探测器。奥德赛号自2001年以来一直在绕火星运行。大约6.6分钟后,爆炸触发了美国国家航空航天局风能卫星上的俄罗斯Konus仪器,该卫星围绕地球和太阳之间约93万英里(150万公里)的点运行。又过了4.5秒,辐射经过地球,触发了美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜和欧洲航天局集成卫星上的仪器。

美国国家航空航天局(NASA)的尼尔·格莱尔斯斯威夫特天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)上的爆炸警报望远镜(BAT)的数据分析提供了对这一事件的进一步了解。

这些数据显示,辐射脉冲只持续了140毫秒,也就是一眨眼的功夫。

赫尔利和德米特里•Svinkin约飞研究所俄罗斯,IPN团队的一员,由费米到达时间测量使用,迅速、风、火星奥德赛和积分任务确定4月15日破裂的位置,称为GRB 200415 a,直接在NGC 253的中部地区,一个明亮的螺旋星系位于大约1140万光年远的雕刻家。这是迄今为止对一颗位于大麦哲伦云之外的磁星所确定的最精确的天空位置。大麦哲伦云是我们星系的卫星,也是1979年首次探测到巨大耀斑的宿主。

“这是目前为止我们星系外最精确定位的磁星,我们现在真的确定了它,不只是一个星系,而是一个星系的一部分,我们预计恒星正在形成,恒星正在爆炸。”这就是超新星和磁星应该存在的地方,”Hurley说。“4月15日的事件改变了游戏规则。”

灯塔的闪光

由于距离的原因,在银河系内看到的巨大耀斑看起来与附近星系的耀斑有点不同。天文学家已经记录了来自银河系磁星及其卫星的巨大耀斑以一种独特的方式演化,它的亮度迅速上升到峰值,然后是一个更缓慢的波动发射尾巴。这些变化是由磁星的旋转造成的,它反复地将耀斑的位置从地球的视野中带进带出,就像一座灯塔。

a red box shows the location of magnetar in the galaxy NGC 253, a beautiful spiral galaxy

这颗磁星位于距离地球1140万光年的明亮星系NGC 253的中心部分(红框)。这是迄今为止对位于银河系之外的磁星来说最精确的位置。由于去年4月的伽马射线爆发,美国宇航局的任务确定了这个位置。(图片由美国宇航局戈达德太空飞行中心和亚当·布洛克/亚利桑那大学莱蒙山航天中心提供)

观察这个波动的尾巴是一个巨大耀斑的确凿证据-一个冒烟的枪,Hurley说。然而,对于数百万光年之外的磁星,这种辐射太微弱,用今天的仪器无法探测到。出于这个原因,我们银河系附近的巨大耀斑可能会与更遥远、更强大的合并型伽马暴相混淆。

新的观测显示了多个脉冲,第一个脉冲仅在77微秒内出现——大约是照相机闪光速度的13倍,比合并产生的最快的grb上升速度快近100倍。

“上升时间和衰退时间的结合,我们认为,可能给我们展示了一个模板,因为我们以前看到过——我们在2005年看到过,另一个事件几乎是复制的。而且两者的能谱也很相似。”Hurley说。

费米的伽马射线爆发监测器还探测到耀斑过程中能量的快速变化,这是以前从未观测到的。

奥利弗·罗伯茨是阿拉巴马州亨茨维尔大学空间研究协会科学技术研究所的副科学家,他领导了费米数据的研究。“GRB 200415A和类似的遥远耀斑首次使我们的仪器能够捕捉到每一个特征,并在无与伦比的深度探索这些强大的爆发。”

星震和磁场重新连接

人们对巨型耀斑知之甚少,但天文学家认为它们是磁星磁场突然重排的结果。一种可能是,地表以上的磁场可能会变得太扭曲,当它稳定到一个更稳定的结构时,突然释放能量。磁星外壳的机械故障——一场星震——可能会触发突然的重组。

天文学家解释了GRB 200415A的观测结果,以及导致它被附近星系中的一颗磁星识别的一系列事件。(视频由美国宇航局戈达德太空飞行中心提供/克里斯·史密斯,USRA/GESTAR)

他说:“我们的想法是,这种超级强大的磁场来自恒星,但固定在地壳上,磁场可以扭曲,对地壳施加压力。地壳有弹性极限,超过弹性极限后,它就会开裂。然后,裂缝向磁场发出波,这些波干扰磁场,你就可以得到重新连接、能量释放和伽马射线。”Hurley说。

罗伯茨和他的同事说,这些数据显示了火山爆发期间地震震动的一些证据。研究人员说,这种发射是由一团以99%光速运动的喷射电子和正电子形成的。发射的短暂时间及其不断变化的亮度和能量反映了磁星的旋转,就像汽车转弯时的前灯一样上下移动。罗伯茨描述它一开始是一个不透明的斑点——他把它描绘成“星际迷航”系列中的光子鱼雷——随着它的移动而膨胀和扩散。

鱼雷也是此次冬奥会最大的意外之一。伽马暴监视器记录到的最高能量的x射线达到了300万电子伏(MeV),大约是蓝光能量的100万倍。该卫星的主要仪器——大面积望远镜(LAT)也探测到了三种能量为480兆电子伏、13亿电子伏和1.7兆电子伏的伽马射线——这是迄今为止从磁星巨型耀斑中探测到的最高能量的光。令人惊讶的是,这些伽马射线在耀斑消失很久之后才出现在其他仪器上。

斯坦福大学(Stanford University)的高级研究科学家尼古拉·奥莫迪(Nicola Omodei)领导的LAT团队对这些伽马射线进行了研究,这些射线是在大地震发生后19秒到4.7分钟之间到达的。科学家们得出结论,这个信号很可能也来自磁星耀斑。

磁星产生稳定的快速运动粒子流出。当这些粒子在太空中移动时,它们会撞击星际气体,使之变慢并转移。气体堆积起来,被加热和压缩,并形成一种叫做弓形冲击波的冲击波,就像移动的船前面的涟漪一样。

在LAT小组提出的模型中,耀斑最初的伽玛射线脉冲以光速向外传播,随后是喷射物质云,其移动速度接近光速。几天后,它们都到达了弓形激波。伽马射线通过。几秒钟后,粒子云——现在膨胀成一个巨大的薄壳——在弓形激波中与累积的气体相撞。这种相互作用产生了加速粒子的冲击波,在主爆发后产生最高能量的伽马射线。

Hurley说,4月15日的耀斑证明了2020年和2004年的耀斑是属于自己那一类的grb。

位于巴吞鲁日的路易斯安那州立大学(Louisiana State University)的物理学和天文学助理教授埃里克·伯恩斯(Eric Burns)说:“有少数的短grb可能真的是磁星巨星耀斑。”他领导了一项研究,确定了更多的银河系外磁星疑似星系。“事实上,它们可能是迄今为止我们在银河系之外探测到的最常见的高能爆发——大约是超新星爆发频率的5倍。”

虽然2005年M81星系和2007年仙女座星系(M31)附近的爆发已经被认为是巨大的耀斑,但他的团队发现了2007年在M83中发现的一个新报告的耀斑。再加上1979年的巨大耀斑,以及1998年和2004年在银河系观测到的耀斑。

“这是一个小样本,但我们现在对它们的真正能量有了更好的了解,以及我们可以探测到它们多远,”伯恩斯说,他的研究将在今年晚些时候发表在《天体物理学杂志通讯》上。

相关信息

  • 一个明亮的伽马射线耀斑被解释为ngc253中的一个巨型磁星耀斑(自然)
  • ngc253中一个磁星的巨大耀斑的快速光谱变异性(自然)
  • 雕塑家星系磁星巨耀斑的高能辐射(自然天文学)
  • 美国国家航空航天局的新闻稿
  • 链接到NASA的视频和图形

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.berkeley.edu/2021/01/13/astronomers-find-signature-of-magnetar-outbursts-in-nearby-galaxies/