长寿命喷流解释了前所未有的伽马射线暴

去年，西北大学的研究人员报告了新的观测证据表明，长伽马射线暴（GRBs）可能是由中子星与另一个致密物体（另一颗中子星或黑洞）合并引起的 – 这一发现以前被认为是不可能的。

现在，另一个西北大学团队为产生前所未有的、令人难以置信的发光爆发的原因提供了一个潜在的解释。

在开发了第一个跟随黑洞 – 中子星合并的射流演化的数值模拟到远距离之后，天体物理学家发现合并后的黑洞可以从吞噬的中子星发射物质射流。

但关键成分是黑洞周围剧烈的气体漩涡（或吸积盘）的质量和盘磁场的强度。在大质量盘中，当磁场很强时，黑洞会发射出比观测中见过的任何东西都要亮得多的短时间喷流。然而，当大质量盘的磁场较弱时，黑洞会发射出与2021年发现并于2022年报道的神秘GRB（称为GRB211211A）相同亮度和持续时间长的喷流。

这一新发现不仅有助于解释长伽马射线暴的起源，而且还提供了对黑洞的性质和物理学，它们的磁场和吸积盘的见解。

该研究发表在《天体物理学杂志》上。

“到目前为止，还没有其他人开发任何数值工作或模拟，从紧凑物体合并到喷气式飞机的形成及其大规模演变，”西北大学的Ore Gottlieb说，他共同领导了这项工作。“我们工作的动机是第一次这样做。而我们的发现恰好与GRB211211A的观察结果相符。

“中子星合并是一种迷人的多信使现象，它导致引力波和电磁波，”西北大学的Danat Issa说，他与Gottlieb共同领导了这项工作。“然而，由于涉及巨大的空间和时间尺度分离以及跨这些尺度运行的多样化物理学，模拟这些事件提出了挑战。我们首次成功地对中子星合并过程的整个序列进行了全面建模。

在研究期间，戈特利布是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的CIERA研究员;现在他是熨斗研究所计算天体物理中心的熨斗研究员。Issa是西北大学温伯格艺术与科学学院物理与天文学系的研究生，也是CIERA的成员。Issa由论文合著者Alexander Tchekhovskoy提供建议，他是Weinberg物理学和天文学副教授，也是CIERA的成员。

当天文学家在2021年12月首次发现GRB211211A时，他们最初认为这个长达50秒的事件是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。但是，当他们检查长GRB的晚期发射，称为余辉时，他们发现了千新星的证据，这是一种罕见的事件，只有在中子星与另一个致密物体合并后才会发生。

这一发现（2022 年 12 月发表在《自然》杂志上）颠覆了长期以来公认的信念，即只有超新星才能产生长 GRB。

“GRB 211211A重新点燃了人们对长期GRB起源的兴趣，这些GRB与大质量恒星无关，但可能起源于紧凑的双星合并，”戈特利布说。

为了进一步揭示紧凑合并事件期间发生的事情，Gottlieb，Issa和他们的合作者试图模拟整个过程 – 从合并之前一直到GRB事件结束，当时生产GRB的喷气式飞机关闭。由于这是一项计算成本高昂的壮举，因此以前从未对整个场景进行建模。戈特利布和伊萨通过将场景分为两个模拟来克服这一挑战。

首先，研究人员对合并前阶段进行了模拟。然后，他们获取第一次模拟的输出，并将其插入合并后模拟中。

“由于两次模拟使用的时空不同，因此重新映射并不像我们希望的那样简单，但Danat想通了，”Tchekhovskoy说。

“两个模拟的菊花链使我们能够使计算成本大大降低，”Gottlieb说。“在合并前阶段，物理学非常复杂，因为有两个物体。在合并前之后，它变得简单得多，因为只有一个黑洞。

在模拟中，紧凑的物体首先合并以产生更大的黑洞。黑洞的强大引力将现已被摧毁的中子星的碎片拉向它。在碎片落入黑洞之前，一些碎片首先围绕黑洞旋转，形成吸积盘。在所研究的配置中，新兴的圆盘特别大，质量是我们太阳的十分之一。然后，当质量从圆盘落入黑洞时，它为黑洞提供动力，发射加速到接近光速的射流。

当研究人员调整大质量盘磁场的强度时，出现了一个惊喜。虽然强磁场导致短而非常明亮的GRB，但弱磁场产生的射流与长GRB的观测结果相匹配。

“磁场越强，其寿命就越短，”戈特利布说。“弱磁场会产生较弱的射流，新形成的黑洞可以维持更长的时间。这里的一个关键因素是巨大的圆盘，它可以与弱磁场一起维持与观测结果一致的GRB，并与GRB211211A的亮度和长持续时间相当。虽然我们发现这个特定的二进制系统产生了一个很长的GRB，但我们也预计其他产生大量磁盘的二进制合并将导致类似的结果。这只是合并后磁盘质量的问题。

当然，在这种情况下，“多头”是相对的。伽马射线暴分为两类。持续时间小于两秒的 GRB 被视为短。如果 GRB 是两秒或更长时间，那么它被认为是长的。即使是如此简短的事件仍然非常难以建模。

“这种盘状物质的主要部分最终被黑洞消耗，整个过程仅持续几秒钟，”伊萨说。“主要挑战在于：在几秒钟内使用超级计算机上的模拟来捕捉这些合并的演变是非常困难的。

现在，Gottlieb和Issa已经成功和全面地模拟了合并的完整序列，他们很高兴能够继续更新和改进他们的模型。

“我目前的努力旨在提高模拟的物理精度，”伊萨说。“这涉及中微子冷却的结合，这是一个重要的组成部分，有可能对合并过程的动态产生重大影响。此外，列入中微子是朝着更准确地评估由于这些合并而喷射的材料的核成分迈出的关键一步。通过这种方法，我的目标是提供更全面和准确的中子星合并图景。