NASA探测到迄今为止最明亮的X射线爆发

NASA探测到迄今为止最明亮的X射线爆发

这幅插图描述了I型X射线爆发。这种类型的X射线爆发首先吹散氢层,氢层膨胀并最终消散。之后,不断增强的辐射积聚到一定点后会吹散氦层,氦层会超过膨胀的氢层。爆发过程中发射出的一些X射线从吸积盘上散射开来。然后火球迅速冷却,氦又重新回到脉冲星表面。
版权:NASA戈达德太空飞行中心/Chris Smith ,大学空间研究联合会(USRA)

美国东部时间8月20日晚10点04分左右,美国国家航空航天局(NASA)在国际空间站的中子星内部成分探测望远镜(Neutron star Interior Composition Explorer,NICER)探测到X射线的突然激增。这次X射线爆发是由脉冲星表面的大规模热核爆炸引起。脉冲星是很久以前超新星爆炸形成的恒星残骸。

这次X射线爆发是NICER探测到迄今为止最明亮的一次,爆发来自一个名为SAX J1808.4-3658的天体,简称J1808。关于这次爆发的观测结果揭示了许多从未在单次爆发中同时出现过的现象。此外,火球在逐渐减弱过程中重新短暂变亮了一下,天文学家们尚未找到能够解释这一现象的原因。

NASA戈达德太空飞行中心和马里兰大学帕克分校的天体物理学,首席研究员彼得•布尔特(Peter Bult)表示:“这次爆发非常突出。我们发现亮度经历了两个步骤的变化,我们认为这是由脉冲星表面不同层的喷射所导致,其他特征将帮助我们解读这些事件中所包含的物理学奥秘。”

天文学家们将这次爆发归类为I型X射线爆炸(Type I X-ray burst),它在20秒内释放了相当于太阳在近10天内所释放的能量。NICER在本次创纪录的喷射过程中所捕获到的细节将有助于天文学家们更好地理解驱动本次爆发以及其他暴态脉冲星热核爆炸的物理过程。

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NASA的NICER所观测到的迄今为止最明亮的X射线爆发是由一颗名为J1808的脉冲星的热核爆炸所导致。这次X射线爆发发生于2019年8月20日,在20秒内释放了相当于太阳在近10天内所释放的能量。请点击视频查看科学家们对这一巨大爆发的发生是怎么认为的。
版权:NASA戈达德太空飞行中心

脉冲星是中子星的一种,是大质量恒星耗尽燃料在自身重量下坍缩并爆炸后所遗留下来的致密内核。脉冲星可以快速旋转,其两个磁极各有一个辐射波束。当脉冲星旋时,辐射束周期性地扫过我们的视线范围,形成有规律的高能辐射脉冲。

J1808位于约11000光年之外的人马座,每秒旋转401圈,是一个双星系统中的一员,其伴星是一颗褐矮星(大于巨行星,但又因质量太小不足以成为恒星)。一股稳定的氢气流从伴星流向中子星,并积聚在一个被称为吸积盘(accretion disk)的巨大存储结构中。

吸积盘中的气体不轻易向内移动。但是每隔几年,像J1808这样的脉冲星周围的吸积盘就会变得非常密集,以至于大量的气体被电离或失去电子。这使得光线更难穿过吸积盘。吸积盘内的能量开始了加热和电离的失控过程,从而捕获了更多能量。盘内气体变得越来越难以流动,并开始向内盘旋,最终落到脉冲星上。

氢气像雨点一样落在脉冲星表面,形成了一个越来越热、越来越深的全球“海洋”。在这一层底部,温度和压力不断升高直到发生将氢融合为氦的核融合反应,这一反应过程中伴随能量产生 – 这也是在太阳核心部分发生的过程。

戈达德戈达德太空飞行中心的NICER副首席研究员,同时也是论文共同作者的Zaven Arzoumanian表示:“氦气稳定下来形成了单独的氦层。当氦层达到几米深,条件将允许氦原子核融合成碳原子。然后氦会爆发释放出穿过整个脉冲星表面的热核火球。”

天文学家采用了一个名为爱丁顿极限(Eddington limit)的概念。这个概念是以英国天体物理学家阿瑟•爱丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)而命名的,用来描述恒星在膨胀前的辐射强度上限值。该上限值很大程度上取决于发射源的上层物质组成。

论文共同作者,麻省理工学院物理学教授迪普托•查克拉巴蒂(Deepto Chakrabarty)表示:“我们的研究以一种新的方式诠释了这个存在已久的概念。我们显然看到了同一X射线爆发中两种不同成分的爱丁顿极限。这是追踪这次爆发事件背后核燃烧反应的一个非常强大而直接的方式。”

当爆发开始时,NICER的数据显示其X射线亮度先稳定了近一秒,然后再次以较慢的速度升高。研究人员将这种“停滞”(stall)解释为爆炸产生的能量积聚到足以将脉冲星的氢层吹入太空的那一瞬间。

火球继续持续了两秒后达到顶峰,吹散了更大的氦层。氦层的膨胀速度更快,在消散之前就超过了氢层,然后减速停止再回到脉冲星表面。在这一阶段之后,脉冲星短暂地变亮了约20%,研究团队尚未弄清其中的缘由。

在J1808最近一轮的活动中,NICER探测到了另一次相对微弱的X射线爆发,这次爆发中没有表现出在8月20日的爆发事件中所观察到的关键特征。

除了检测不同层的膨胀,NICER对爆发的观测还揭示了吸积盘的X射线反射,并记录了“爆发振荡”(burst oscillations)的闪烁现象 – X射线信号在脉冲星的自旋频率上下波动,但信号的发射位置与通常X射线辐射波束的位置不同。

关于描述这一发现的论文已经发表在《天体物理学杂志通讯》( Astrophysical Journal Letters)上,可以戳阅此处进一步了解。

NICER是NASA探索者计划中的一项天体物理任务,该计划利用太阳物理学和天体物理学领域内的创新、简化和高效的管理方法,为世界级的科学研究提供频繁的飞行机会。NASA太空技术任务理事会对该任务的SEXTANT(Station Explorer for X-Ray Timing and Navigation Technology)组成部分提供支持。SEXTANT部分对基于脉冲的航天器导航进行演示。

来源:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasas-nicer-catches-record-setting-x-ray-burst

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