NASA超算还原中子星合并前7.7毫秒细节

IT之家 2 月 1 日消息，美国国家航空航天局（NASA）研究人员通过超级计算机模拟，首次系统性揭示了两颗中子星在最终相撞前，其周围磁层缠结、重构的复杂物理过程，并识别出潜在的可观测高能信号。

▲ 利用超级计算机模拟磁化中子星合并过程。颜色越亮表示辐射越强，但很可能没有一束能逃逸出去。

由希腊帕特拉斯大学研究生迪米特里奥斯 · 斯基亚萨斯领衔的科研团队，针对两颗质量均为 1.4 倍太阳质量的中子星（IT之家注：直径仅 24 公里）系统，使用“昴星团”（Pleiades）超级计算机完成百余次模拟，重点分析并合前最后约 7.7 毫秒内的磁层剧变。

研究团队发现，在并合前最后时刻可能产生了高能电磁信号，这些信号有望被未来的天文观测设备探测到。

“当中子星即将碰撞时，充满等离子体的强磁化区域 —— 磁层开始剧烈互动，”在 NASA 戈达德太空飞行中心开展研究的斯基亚萨斯解释称，“我们捕捉到磁场缠结结构的急速演化，并建模了潜在可观测信号。”

中子星合并会产生“宇宙最强爆炸”伽马射线暴（GRB），以往研究主要集中在并合本身及其后期效应，包括近光速喷流、引力波以及产生金、铂等重元素的“千新星”爆发现象。而 2017 年一次观测首次同时观测到伽马射线暴、引力波与千新星元素合成三重视证，验证了长期以来的理论预测。

此次研究则将重点放在并合前阶段。研究团队指出，在中子星即将相撞前，其高度磁化、充满等离子体的磁层开始发生强烈相互作用，磁力线不断连接、断裂并重组，形成剧烈变化的磁结构。

NASA 共同作者康斯坦丁诺斯 · 卡拉波塔拉科斯表示，这一过程中，磁层表现为不断“自我重连”的磁路系统，电流在接近光速运动的等离子体中流动，快速变化的磁场加速粒子并产生高能辐射。

模拟结果显示，辐射强度和分布高度依赖观测视角和中子星磁场相对取向，并在两星距离缩小时显著增强。

NASA 戈达德中心合作研究者卡拉波萨拉科斯描述称，“变化的磁场加速粒子至远超地球加速器的能量水平。”研究显示，新生中子星磁场强度可达“冰箱磁铁”的 10 万亿倍，足以将伽马射线直接转化为正负电子对。

简单来说，该系统可产生能量高达可见光数万亿倍的伽马射线，但在极强磁场环境中，这类最高能量的伽马射线会迅速转化为电子和正电子对，难以直接逃逸。然而，能量较低（约为可见光百万倍）的伽马射线仍可能从系统中逃逸，并进一步产生 X 射线等较低能级辐射。

此次模拟同时计算了作用于星体表面的电磁应力。戈达德中心科学家卡扎尼斯指出：“磁应力虽弱于引力，但在强磁化系统中持续累积，其效应可能烙印在下一代引力波探测信号中。”

研究团队还发现辐射分布存在显著方向性，光信号的亮度和空间分布具有明显方向性差异。同时，随着两星距离不断缩小，信号强度明显增强，其变化与两颗中子星磁场取向密切相关。“观测者视角至关重要 —— 信号亮度分布不均且随双星逼近急剧增强，”马里兰大学合作者瓦迪辛格强调。

研究团队认为，未来中能段伽马射线空间望远镜（特别是具备大视场能力的设备），若能结合引力波探测器提供的提前预警和精确定位信息，有望在并合前阶段探测到这些电磁信号。

目前，LIGO（美国）和 Virgo（意大利）等地面引力波探测器已可在 10 至 1000 赫兹频段探测中子星并合事件，并支持快速电磁跟踪观测。

此外，NASA 与欧洲航天局（ESA）正在合作推进空间引力波探测项目 LISA（激光干涉空间天线），计划于 2030 年后发射升空。LISA 将以更低频段探测更早期演化阶段的中子星双星系统，为并合前长期监测提供条件。