研究人员捕捉到中子星巨大爆发中的高频振荡

一个由瓦伦西亚人参与的国际科学小组首次成功测量了磁星在其最猛烈时刻的亮度振荡。在短短 10 分之一秒内，磁星释放的能量相当于太阳 10 万年产生的能量。得益于瓦伦西亚大学图像处理实验室 (IPL) 开发的人工智能系统，该观察在没有人工干预的情况下进行。

在中子星中，直径约 20 公里的物体的质量是地球的 50 万倍，它们是磁星，这是一个已知磁场最强烈的小群。这些天体中只有 30 个已知，它们遭受猛烈喷发，但由于其出乎意料的性质和仅 10 秒的持续时间，人们仍然鲜为人知。检测它们是科学和技术的挑战。

在过去的 20 年里，科学家们一直想知道磁星中是否存在高频振荡。该团队最近在《自然》杂志上发表了他们对磁星爆发的研究。他们测量了磁星在其最猛烈时刻的亮度振荡。这些事件是理解巨磁星爆发的重要组成部分。这项工作由瓦伦西亚大学的六名研究人员和西班牙合作者进行。

“即使处于非活动状态，磁星的亮度也可能是我们太阳的 100,000 倍，但就我们研究的闪光——GRB2001415 而言——释放的能量相当于我们的太阳在 100,000 年内辐射出的能量，”来自 IAA-CSIC 的首席研究员 Alberto J. Castro-Tirado 说。

“磁星的爆炸持续了大约十分之一秒，是在 2020 年 4 月 15 日在大流行期间被发现的，”紫外线天文学和天体物理学教授、图像处理实验室研究员维克多·雷格莱罗说(IPL)，该文章的合著者和 ASIM 的建筑师之一，ASIM 是国际空间站上检测到火山喷发的仪器。“从那时起，我们开展了非常密集的数据分析工作，因为它是一颗 10 ** 16 高斯中子星，位于另一个星系。一个真正的宇宙怪物，”雷格莱罗说。

科学家们认为，磁星的爆发可能是由于磁层的不稳定性或地壳中产生的一种“地震”，地壳是一个大约一公里厚的刚性和弹性层。“无论触发因素如何，都会在恒星的磁层中产生一种波——阿尔文——在太阳中众所周知，它们相互相互作用，消耗能量，”阿尔贝托·J·卡斯特罗-蒂拉多解释说。

根据这项研究，在喷发中检测到的振荡与阿尔文波相互作用产生的辐射一致，阿尔文波的能量被地壳迅速吸收。因此，在几毫秒内，磁重联过程以及在 GRB2001415 中检测到的脉冲结束，在主爆发后 3.5 毫秒消失。对该现象的分析使得估计喷发的体积与中子星本身的体积相似甚至更大成为可能。

此次喷发是由国际空间站 (ISS) 上的 ASIM 仪器检测到的。ASIM 是七台望远镜中唯一一台能够在其整个能量范围内记录喷发的主要阶段而不会出现饱和现象的望远镜。科学团队能够解决事件的时间结构，这是一项真正复杂的任务，涉及一年多的分析，仅用了两秒钟，在此期间收集数据。

大气空间相互作用监测器 (ASIM) 是由丹麦、挪威和西班牙开发的欧空局任务，自 2018 年以来一直在国际空间站运行，由研究人员 Torsten Neubert（丹麦技术大学）、Nikolai Ostgaard（卑尔根大学，挪威）和 Víctor Reglero（西班牙瓦伦西亚大学），他们组成了 ASIM 设施科学团队。

ASIM 的目标是监测地球大气中从光学波长到 40 MeV 的伽马波长的剧烈现象，这是该望远镜自 2018 年 6 月以来一直在开展的一项活动。它已经探测到 1,000 次伽马射线爆发。“鉴于这些现象是不可预测的，当发生某些事情时，ASIM 会完全自主地做出决定，并将数据发送到位于哥本哈根、卑尔根和瓦伦西亚的科学数据中心的不同中心，”维克多·雷格莱罗解释说。

从信号分析的角度来看，在 GRB2001415 中检测准周期振荡是一个相当大的挑战。“困难在于信号的短暂性，其幅度迅速衰减并嵌入背景噪声中。而且，由于它是相关噪声，因此很难区分其信号，”雷格莱罗说。人工智能系统与复杂的数据分析技术相结合，使研究人员能够检测到这一壮观的现象。

尽管已经在银河系 30 颗已知磁星中的两颗以及附近的其他星系中检测到了这些喷发，但 GRB2001415 是迄今为止捕获到的最遥远的磁星喷发，位于约 1300 万光年外的 Sculptor 星系群中。“从透视角度来看，磁星似乎想从宇宙的孤独中向我们表明它的存在，以 kHz 的频率以十亿个太阳的帕瓦罗蒂的力量歌唱，”雷格莱罗说。

据该论文的作者称，这次喷发为了解中子星内部和周围如何产生磁应力提供了一个重要的组成部分。对附近星系中的磁星进行持续监测将有助于了解这种现象，也将为更好地了解快速射电爆发铺平道路，这是目前天文学中最神秘的现象之一。

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