波浪形的太空波显示中子星即将变成黑洞

在远离我们舒适的宇宙家园的地方，恒星正在发生着几乎超出我们想象的剧烈和极端行为。中子星是巨大恒星的致密程度令人难以置信的残余物，一茶匙物质的重量相当于珠穆朗玛峰。它们正在相互撞击。这种撞击会产生黑洞，并释放出被称为伽马射线暴 (GRB) 的极高能量闪光。

自 1967 年首次发现 GRB 以来，天文学家一直对它很感兴趣。但关于两颗中子星相撞时究竟发生了什么，我们仍有许多需要了解的地方。最近发表在《自然》杂志上的一项新研究揭示了 GRB 的旧观测中被称为准周期振荡 (QPO) 的有用信号。QPO 为科学家提供了一个窗口，让他们探索中子星相撞后、坍缩成黑洞之前的短暂时间。它们是物质在合并过程中如何旋转和混合的指纹。

自 2016 年引力波探测问世以来，许多天文学家一直致力于利用 LIGO 和类似实验探索中子星合并。但是，这些观测只提供了一半的图景，因为当前的探测器仅对合并产生的部分引力波敏感。为了探测我们目前错过的高频波，我们必须等待数年甚至数十年，才能让爱因斯坦望远镜等新项目上线。

这项新研究表明，使用伽马射线的现有技术可能是探测产生高频波的相同物理现象的替代方法。QPO 是观测到的伽马射线中半规则重复的摆动，它编码了有关合并物理的信息。研究作者分析了两个产生 QPO 的事件，这些 QPO 的来源不明——它们可能起源于我们的星系内，也可能起源于银河系之外。

“我们正在观察两颗恒星合并和伽马射线爆发之间那一瞬间发生的事情。令人沮丧的是，这些信号要等到 10 到 15 年后才能在引力波中探测到，”该研究的主要作者、美国宇航局戈达德太空飞行中心和马里兰大学的研究科学家塞西莉亚·奇伦蒂 (Cecilia Chirenti) 说道。“但我很不耐烦，不想等！现在我们能够开始使用伽马射线寻找和研究它们，这真是令人兴奋！”

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两颗中子星的碰撞是探索这些怪异、死亡星球物理特性的绝佳实验室。它们的最终命运取决于高能物理学中的一个重要未知数：描述中子星组成以及该物质如何移动、流动和与周围世界相互作用的方程。

“中子星核心中的物质处于一种宇宙中其他地方都看不到的状态，包括地球实验室中也看不到，”马里兰大学天文学家、这项研究的合著者科尔·米勒说。“测量中子星的特性可以让我们深入了解一个原本无法接近的物理领域。”

在寻找 QPO 的过程中，研究小组探索了来自多个 NASA 太空望远镜的数据档案：费米伽马射线太空望远镜、斯威夫特天文台和康普顿伽马射线天文台。尽管这些 GRB 早在 20 世纪 90 年代就被发现，但 GRB 信号极其复杂，天文学家至今仍无法发现这些 QPO 信号。“我的一位同事曾讽刺地说‘如果你看到一次伽马射线爆发，你就看到了一次伽马射线爆发’，”米勒说。“这使得很难判断是否存在某种振荡信号，或者这是否只是 GRB 本身。”

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在这两种情况下，QPO都表明，在坍缩成黑洞之前，可能已经形成了一颗巨型中子星。哥伦比亚大学和普林斯顿大学的天文学家伊泰·利尼尔（Itai Linial）没有参与这项研究，他说，目前还不清楚，在伽玛射线暴期间，黑洞是立即形成的，还是中子星在坍缩成黑洞之前的几分之一秒内出现，但他同意这些新信号“可能是快速旋转的中子星残骸的结果”。

通过探测这些伽马射线信号，天文学家现在有了新工具来探索宇宙中一些最奇怪、最疯狂的现象。有了一大批可供探索的旧数据，该团队现在希望利用这一工具找到更多此类奇特合并的例子。