不符合科学理论的引力波数据:揭示中子星双星系统的形成秘密

在中子星双星系统形成的后期阶段,巨星膨胀并吞没中子星伴星,这一阶段被称为“共包层演化”(a)。包层的抛射使中子星处于一个近距离靠近包层剥离星的轨道上。该系统的演化取决于质量比。质量相对较小的剥离星会经历额外的质量传递阶段,使自身进一步剥离,同时使伴星加快自旋成为脉冲星,在银河系中观测到的中子星双星系统和GW170817便是这种类型(b)。质量较大的剥离星不会如此膨胀,从而避免进一步剥离和被伴星吸收,最终形成如GW190425的双星系统(c)。对于质量更大的剥离星,则会形成黑洞-中子星双星系统,如GW200115 (d)  在中子星双星系统形成的后期阶段,巨星膨胀并吞没中子星伴星,这一阶段被称为“共包层演化”(a)。包层的抛射使中子星处于一个近距离靠近包层剥离星的轨道上。该系统的演化取决于质量比。质量相对较小的剥离星会经历额外的质量传递阶段,使自身进一步剥离,同时使伴星加快自旋成为脉冲星,在银河系中观测到的中子星双星系统和GW170817便是这种类型(b)。质量较大的剥离星不会如此膨胀,从而避免进一步剥离和被伴星吸收,最终形成如GW190425的双星系统(c)。对于质量更大的剥离星,则会形成黑洞-中子星双星系统,如GW200115 (d)

  新浪科技讯 北京时间10月28日消息,2017年,科学家第一次证实了引力波的存在,在“激光干涉引力波天文台”(LIGO)和引力波观测领域做出决定性贡献的三位物理学家也因此获得当年的诺贝尔奖。如今,对引力波的探测仍在不断带来新的物理学成果,但也引出了更多的问题。

  对引力波的探测也带来了全新的挑战,比如如何找出引力波产生的原因。这听起来似乎是一个简单的问题,但回答起来却困难得多。近日,丹麦哥本哈根大学的研究团队开发了一个恒星死亡的模型,他们认为该模型将有助于解释一些以前无法解释的发现,并提出在一个特定的星系中,大质量中子星的数量要比此前认为的多得多。

  在物理学研究中,科学家经常会收集到一些似乎不符合当前科学理论的数据。例如,在LIGO第二次探测到引力波时,就出现了一些令人意想不到的数据。通常情况下,LIGO会记录两个大密度物体——比如黑洞和中子星——碰撞所产生的引力波,即时空涟漪。在LIGO第二次确定的记录中(最初记录于2019年,现在被称为GW190425),数据所指向的引力波来源是两颗正在合并的中子星,但它们的质量大得惊人。

  在以往的观点看来,常规的中子星是很难“看到”的。中子星通常是在超大质量恒星向内坍缩后才形成的,这一点与它们的“近亲”黑洞相似。不过,它们偶尔也会形成脉冲星,这是宇宙中最引人注目的恒星形态之一。通常情况下,唯一能观测到一个双星系统(比如GW190425引力波信号的源头)的条件是,该系统的两颗恒星中有一颗是脉冲星,并与邻近的常规中子星发生相互作用。然而,在已知的中子星双星系统中,科学家并没有找到具有足够质量,同时又能匹配LIGO所探测信号的系统。

  研究者认为,之所以缺少这样的恒星,部分原因是较大的恒星在死亡时变成了黑洞,而不是中子星。然而,这些引力波信号的确来自正在合并的大质量中子星,而不是黑洞碰撞。那么,是什么导致了这些大型中子星的形成?为什么它们没有和脉冲星成对出现?

  答案可能在于一类被称为“剥离星”(stripped star)的恒星。这些星体也被称为“氦星”,它们只在双星系统中形成,其氢外壳会被系统中的另一颗恒星推开,留下一个纯氦内核。研究小组对这类恒星进行了模拟,试图了解它们在超新星爆发后会发生什么。这取决于两个因素,一是剩余内核的质量,二是超新星爆炸的强度。

  研究小组通过恒星演化模型发现,对于氦星而言,其部分氦外层会在超新星爆炸中被抛出,使恒星质量降低至无法演变为黑洞的程度。这或许可以解释大质量中子星的起源,但它们为什么在带有脉冲星的双星系统中不那么明显呢?

  回答这一问题,我们需要了解双星系统中的一个标准过程——质量传递。通常情况下,双星系统中的一颗恒星会有部分物质流向另一颗质量更大的恒星,这个过程就被称为质量传递。在中子星系统中,这种质量传递有时会使中子星加快自旋,成为脉冲星。然而,恒星的氦核越大,发生质量传递的可能性就越小。因此,对于形成大质量中子星的系统,不太可能最终演变成一个带有脉冲星的双星系统;这些中子星更有可能保持自己的质量,而不是将质量转移到它们的伴星上,使后者成为脉冲星。

  LIGO所获得的其他数据也支持这一理论。在宇宙中,大质量中子星的合并似乎与质量相对较小的中子星与脉冲星的合并一样常见。由大质量中子星所组成的双星系统是可能存在的,只不过通常的探测方法无法“看见”它们。不过,在LIGO的帮助下,我们至少可以探测到这些系统何时发生了合并,这是朝着真正了解它们迈出的重要一步。(任天)

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