天体物理学家用恒星系谱学来揭示中子星的秘密生活

天体物理学家利用引力波和光来追踪死亡恒星的谱系。

(资料图片)

忘掉考古学家和他们失落的文明吧，忘掉古生物学家和他们的化石吧 —— 现在，天体物理学家埃洛伊丝·史蒂夫斯（Heloise Stevance）正在一个完全不同的尺度上研究过去。当天文学家在天空中瞥见一个不寻常的信号时，也许是恒星爆炸发出的光，史蒂夫斯会接收这个信号，并将时钟倒拨数十亿年。她在新西兰奥克兰大学工作，追踪死亡和垂死恒星的过去生活，她称之为恒星谱系。她说：“恒星的生活充满了戏剧性。”

上图：X射线双星“Circinus X-1”的合成X射线、可见光和无线电图像。这个天体是一颗中子星，与一颗普通恒星处于共同轨道。在第一批恒星和星系的时代，这些系统可能是宇宙再电离的原因。

2017年8月17日，天体物理学家在一个遥远的星系中目睹了两颗死亡恒星的残余核（即中子星）相互碰撞。他们通过时空涟漪（引力波）以及由此产生的爆炸所产生的光来探测这一事件，这被称为“中子星并合”。这是科学家第一次也是唯一一次利用引力波观测到这样的事件。根据这些信号，他们推断出中子星的质量是太阳的1.1到1.6倍。他们还发现，这种碰撞产生了宇宙中一些较重的自然元素，比如金和铂。但总的来说，这些信号带来的困惑多于答案。

研究人员不知道这些合并有多普遍，他们也不能确定它们是创造了宇宙中所有的重元素，还是只是一部分。但如果天体物理学家能够观察到更多这样的合并，他们就可以回答这些甚至更深入的问题，比如宇宙的年龄。这就是恒星系谱学可以帮助的地方。

上图：双子星合并的概念图。

在1月份发表在《自然天文学》杂志上的一项研究中，天体物理学家埃洛伊丝·史蒂夫斯和她的同事们通过对碰撞的观察来深入研究中子星的过去。他们推断出碰撞前数十亿年的细节，当时这两个物体仍在其核心中融合氢，成为两颗普通恒星，作为一个单元相互环绕，被称为“双星系统”。通过更详细地了解这些双星及其演化过程，她的团队正在努力找出如何更系统地搜索并理解这些合并事件。

根据史蒂夫斯和她的团队的分析，碰撞中的两颗中子星分别是一颗质量为太阳13到24倍的恒星的残骸，另一颗质量为太阳10到12倍的恒星的残骸。它们都是在50亿到125亿年前开始发光的，在那个时候，只有1%的恒星组成是由比氢和氦更重的元素组成的。

这项工作还描述了两颗恒星在燃烧完燃料成为中子星之前的相互作用。它们开始时相距数千万公里，听起来很远，但实际上远低于地球和太阳之间的距离。每颗恒星的外部都被称为“恒星包层”的气体包围着。史蒂夫斯和她的团队的模型确定，在恒星的一生中，一颗恒星的包层至少两次吞没了另一颗恒星，也就是说，它们的外层气体合并成为一个共享的包层。

这是关于两个遥远物体的很多细节，特别是如果你考虑到天体物理学家只是直接观察到它们极端暴力的结局。这就相当于这个团队从一堆灰尘中重建了一座城市。为了从如此少的东西中推断出如此多的东西，他们将对中子星的观察与对其他恒星和星系的研究收集到的见解结合起来，创建了一个庞大的数学模型，包括观测到的恒星和假设的恒星。该模型详细描述了25万颗不同类型恒星的温度、化学成分和其他特征，从内部到表面，以及每颗恒星燃烧燃料并最终死亡时这些属性是如何变化的。此外，该模型还可以模拟整个星系，每个星系包含多个不同年龄和化学成分的恒星集合。

上图：双子星合并的引力波模拟。

因此，为了揭示合并后的中子星的过去，史蒂夫斯和她的同事们在他们的模型中复制了观察到的中子星数据，这可以告诉他们两颗恒星合并前发生的最有可能的情况。例如，他们得出结论，这两颗恒星多次共享一个包络线，因为这两个物体碰撞所需的时间很长。当两颗双星合并包层时，共享包层中的气体会产生一种阻力，使恒星的轨道变慢，然后导致恒星向彼此旋转，迅速缩短它们之间的距离。为了像它们的残余核心那样快速合并，这些恒星需要多次共享包层。

关于中子星合并的工作是建立在数十年的天文学研究基础上。奥克兰大学天体物理学讲师、史蒂夫斯的合作者之一简·埃尔德里奇（Jan Eldridge）说，史蒂夫斯的同事们15年前开始制定他们的恒星模型，以研究极遥远星系中的天体。埃尔德里奇说：“当我们第一次创造这个装置时，我们距离引力波被探测到还有很多年。”这个有15年历史的模型是建立在天文学家在20世纪70年代制作的恒星模型之上的。这项工作说明了一个漫长的、往往是迂回曲折的科学过程：一代又一代的天文学家，致力于研究关于恒星的无关紧要的问题，无意中促成了几十年后的新发现。

此外，史蒂夫斯和她的团队已经使他们的工作开源，使更多的研究人员能够倒转其他恒星活动的时钟。西北大学的彼得·布兰查德（Peter Blanchard）虽然没有参与这项工作，但他说，研究人员可以利用这个框架来研究超新星，即大质量恒星的明亮爆炸。随着天体物理学家对这些不同类型的爆炸进行更多的研究，他们可以更好地解释宇宙中所有元素的起源。很可能是恒星的消亡锻造了黄金和铀，最终与其他元素结合形成了地球，比我们将它们制成珠宝或武器的时间早了数十亿年。

上图：超新星爆发。

为了预测中子星的系谱，史蒂夫斯的模型还必须推断它们所在星系的属性，比如星系中包含的元素类型，以及这些元素是否在整个星系中均匀分布。德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家陈新宇（音译）说，这些知识将指导我们未来在哪里寻找其他的合并。他也没有参与这项工作。

如果研究人员能够发现更多的中子星并合，陈新宇希望利用它们来计算宇宙膨胀的速度，这对于计算宇宙的年龄是必要的。可以利用合并的引力波信号来计算从地球到那些中子星的距离。然后，通过分析合并时发出的光，可以估计中子星远离的速度 —— 提供膨胀率。迄今为止，天体物理学家用不同的方法计算出了两种相互矛盾的宇宙膨胀速率，所以他们希望观察更多的合并，以试图调和这种冲突。

上图：美国华盛顿州汉福德市的激光干涉引力波天文台。

激光干涉仪引力波天文台合作，在美国华盛顿州和路易斯安那州使用其两个探测器检测到了中子星合并，现在，经过两年的升级，计划于2023年5月重新上线。届时，研究人员预计每年将检测到10次中子星合并 —— 这应该会给我们提供大量机会来更深入地研究宇宙有多老的问题。“在接下来的几年里，这将是非常令人兴奋的，”布兰查德说。这也是令人兴奋的数十亿年。

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