中子星潮汐波的閃光可能預示即將發生合併

一位藝術家描繪了合併前夕的兩顆中子星

（圖源：NASA/Goddard Space Flight Center）

研究人員已經發現了一種新方法，事先探測到宇宙中最災難性的合併事件。

中子星是大型死亡恆星緻密的核心，它們相互螺旋靠近或進入黑洞時，可以在中子星周圍的重帶電粒子群中引起潮汐波。研究人員發現，此類潮汐波通過電磁輻射的規律閃光顯現，而這能夠作為即將發生合併的早期預警系統。

中子星可以說是宇宙中最極端的星體。是的，黑洞可能更奇特，但黑洞相對較簡單——它們只是擁有巨大的引力。相比之下，中子星本質上是巨型原子核，具有許多黑洞不具備的奇特、複雜的物理現象。

典型的中子星直徑僅有幾千米，但重量卻是太陽的幾倍。中子星幾乎全部是由中子組成（也因此而名為「中子星」），但也包含一定數量的鬆散電子、質子和重核離子。中子星誕生於超新星（垂死的巨型恆星爆炸的產物），部分中子星甚至擁有宇宙中最強大的磁場。

中子星的壓力和密度大到超出我們的目前的物理知識範圍，因而其內部對我們來說極度神秘。一些模型表明，中子星核心僅是一個均勻的中子團，而另一些模型暗示中子星分裂成組成自身的夸克。在核心之外還存在著一大塊堅固平滑的中子，逐漸轉換成一個更復雜的模式，例如，塊狀物和條狀物，統稱為「核麵糰」。

普遍認為，中子星的外殼是由超流體電子和中子組成，兩者越靠近就會形成晶格。最終，就會有一片由深度10到100米（33到330英尺）不等的流體電子、中子和離子組成的海洋。

觀察中子星的奇異行為

在這種情況下，物質極其奇特的性質（通常不會在周圍發現超流體中子）導致中子星成為研究極端物理學的的主要對象。這一想法在發現GW 170817後得到鞏固。GW 170817是兩顆中子星正在合併時爆發電磁而探測到的一個引力波信號。這種被稱為「多信使天文學」（multimessenger astronomy）的聯合探測使物理學家能夠前所未有地探索中子星的核心。

但自2017年第一次探測到引力波以來，我們再也沒有發現其他中子星合併的事件，令人沮喪，因為中子星是自然界測試高能物理的最佳實驗室之一。

但現在，一種觀測中子星奇異行為的新方法不會讓我們等太久。新方法的論文於5月發佈在預印資料庫arXiv上，重點關注中子星海洋，這片海洋除了包含自由電子和中子之外，還包含碳、氧和鐵。儘管這片海洋比中子星的整體深度淺，但它是中子星最外層（不包括薄到極致的「大氣層」），也是中子星最容易與外部宇宙發生反應的部分。

特別是，研究人員發現這些較淺的海洋能夠為潮汐提供支持，就像地球中的海洋一樣。但是在中子星掀起潮汐需要許多引力拉力，抵抗極端引力。中子星的潮汐僅在中子星足夠接近一個緻密物體時才會出現，如其他中子星或黑洞。

值得慶幸的是，這種雙星體合併的現象較為常見。隨著恆星逐漸在多個系統中形成，按照生命週期繼續發展，最終留下黑洞和中子星的組合。

奇特的光屋

一顆中子星開始和另一顆中子星或黑洞合併的時候，兩顆中子星需要幾年時間慢慢螺旋運動靠近彼此。隨著中子星繞軌道而行，引力潮帶著能量離開自身所處星系，拉近兩顆中子星的距離。最終，合併在幾秒時間內結束。

但在合併發生前，繞軌道而行的伴星能在中子星掀起一系列的共振潮汐。這些潮汐能夠保持100兆赫的頻率，並攜帶10^29焦耳的巨大能量。為了讓你感受到這些數字的驚人之處，全人類每年僅使用10^29焦耳的能量。單個中子星共振潮汐波的能量超過了太陽照射10，000年的全部能量輸出。

和海洋潮汐能不同，這些潮汐是由等離子群構成。極端的電荷意味著，潮汐不斷湧動，噴射出強烈的電磁輻射，變成我們所能看見的X射線和伽馬射線的閃光。

研究人員根據計算預估，像費米伽馬射線太空望遠鏡和核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）這樣的空間觀測站，每年能夠探測到許多螺旋行進的中子星，而這些信號會在最終合併前幾年出現。

有了這些預警信號，天文學家可以準備好望遠鏡和觀測臺，捕獲合併的瞬間，並深挖更寶貴的電磁波和引力波資料。

BY:Paul Sutter

FY:朱思穎Haily

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選文：天文志願文章組-

翻譯：天文志願文章組-朱思穎Haily

審核：天文志願文章組-

終審：天文志願文章組-零度星系

排版：天文志願文章組-零度星系

美觀：天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://www.space.com/neutron-star-mergers-tidal-waves