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NASA超算还原中子星合并前7.7毫秒细节

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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。

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