天文馆研究人员发现极亮X射线脉冲星之谜的线索

当正常恒星耗尽了自己核心的燃料后，就会死亡，留下一个致密的遗骸，包括白矮星，中子星，和黑洞。致密星的质量和正常恒星差不多，但是尺寸要小的多。比如中子星半径约10公里左右，只有太阳半径的10万分之一。

由于致密星太小，我们的人眼很难看见它们。即使通过望远镜，也很难发现它们。不过由于它们极端致密，在条件合适的情况下，比如其周围有一颗正常的恒星可以提供物质，致密星就可以通过吸积物质产生强烈的辐射。这是因为它们的致密性可以提供极强的引力吸引，在致密星附近，被吸积物质的极快的速度热化后可以产生强烈的高能X射线辐射（如黑白图所示）。这种吸积产能的方式比正常恒星的核聚变的效率要高几十倍！

X射线脉冲星的吸积过程示意图

因此，我们可以通过X射线望远镜观测吸积中的中子星。太阳每秒发射的光的能量（光度）约为4x1026瓦，而吸积中子星的光度一般可以比太阳高10万倍！不过小不点中子星的发光功率并不是无限的。如果其光度太高的话，光会把吸积的物质吹走，导致吸积不能进行，（爱丁顿极限）。这就像风会吹动帆船一样，人们已经在设计通过光帆把探测器送到临近的比邻星。

以前人们认为中子星的光度上限也就是太阳光度的10万倍左右。2014年，在星暴星系M82（著名的雪茄星系，其X射线波段的形态完全不同于光学波段）中发现了一颗X射线脉冲星，其光度达到太阳的一百万倍！这类新发现的极亮的X射线脉冲星的成因是一个未解谜题：小不点中子星为什么能发出这么高的光度？（中子星的质量在1-3倍的太阳质量之间，太高了就塌缩成黑洞了，而黑洞没有硬表面，不会产生稳定的脉冲信号。）

在研究银河系内第一颗极亮X射线脉冲星（Swift J0243，爆发于2017年10月）时，利用我国的慧眼X射线望远镜（2017年6月发射），北京天文馆研究人员与合作者发现Swift J0243在高光度的时候，其辐射的模式发生了变化，由低光度的沿磁力线的铅笔模式变为了垂直于磁力线的风扇模式，与理论预期的高光度时会形成吸积柱的图景一致（如彩图）！

低光度时的铅笔辐射模式

高光度时的风扇辐射模式

Swift J0243形成高光度的吸积柱需要极强的磁场，估计约为1.5x1013高斯，比普通的X射线脉冲星的磁场要高（一般小于1x1013高斯）。这意味着极亮X射线脉冲星很可能是极高磁场的吸积中子星！（慧眼望远镜团队随后的另一工作证实了这一极高的磁场。)

他们也发现Swift J0243的脉冲轮廓在高光度时发生了改变，其中子星的自转变快率在高光度时也变得比低光度时更低效（吸积物质一般会导致中子星转的更快），这些高光度的奇怪现象很可能是吸积柱的强辐射改变了吸积物质流的几何引起来的。这些研究结果为揭开极亮X射线脉冲星之谜提供了线索。

详情参考链接：

https://arxiv.org/abs/2203.12227

（刘纪认）

公众号名称：北京市科学技术研究院

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