西北大学的研究人员已经开发出一种模拟方法，表明长伽马射线爆发，以前被认为是大质量恒星坍缩的专属，也可以发生在中子星合并中。这一发现为黑洞物理学提供了更深入的理解，并挑战了现有的天体物理学理论。来源:SciTechDaily.com
2022年，西北大学的科学家们提出了新的观测数据，表明长伽马射线暴(GRBs)可能源于一颗中子星与另一颗致密天体(如另一颗中子星或黑洞)的碰撞——这一发现在以前被认为是不可能的。
现在，另一个西北大学的研究小组提供了一种可能的解释，解释了是什么产生了前所未有的、令人难以置信的明亮的光。
在开发了第一个追踪黑洞-中子星合并过程中喷流演化的数值模拟后，天体物理学家发现，合并后的黑洞可以从被吞噬的中子星发射出物质喷流。
但关键因素是黑洞周围剧烈的气体漩涡(或吸积盘)的质量和吸积盘磁场的强度。在大质量的圆盘中，当磁场很强时，黑洞会发射出短时间的喷流，比观测到的任何东西都要亮得多。然而，当巨大的圆盘具有较弱的磁场时，黑洞会发射出与2021年发现并于2022年报告的神秘GRB(称为GRB211211A)相同光度和持续时间长的射流。
这项新发现不仅有助于解释长伽马射线暴的起源，还有助于深入了解黑洞的性质和物理特性、它们的磁场和吸积盘。
全面模拟了黑洞-中子星合并过程中喷射流的大规模演化。来源:Ore Gottlieb/西北大学
这项研究最近发表在《天体物理学杂志》上。
西北大学的Ore Gottlieb是这项工作的共同领导，他说:“到目前为止，还没有人开发出任何数值工作或模拟，可以持续地跟踪射流从致密物体合并到射流形成及其大规模演变的过程。”“我们工作的动力是第一次这样做。而我们的发现恰好与GRB211211A的观测结果相吻合。”
“中子星合并是一种迷人的多信使现象，它会产生引力波和电磁波，”西北大学的达纳特·伊萨说，他与戈特利布共同领导了这项工作。“然而，由于涉及巨大的空间和时间尺度分离以及跨越这些尺度的不同物理操作，模拟这些事件带来了挑战。这是我们第一次成功地全面模拟了中子星合并过程的整个序列。”
在研究期间，Gottlieb是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的CIERA研究员;现在他是Flatiron研究所计算天体物理中心的Flatiron研究员。Issa是西北大学温伯格艺术与科学学院物理与天文系的研究生，也是CIERA的成员。伊萨由论文合著者亚历山大·切科夫斯科伊(Alexander Tchekhovskoy)提供建议，他是温伯格大学物理学和天文学副教授，也是CIERA的成员。
好奇kilonova
当天文学家在2021年12月首次发现GRB211211A时，他们最初认为这个持续50秒的事件是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。但是，当他们检查GRB的后期发射，即所谓的余辉时，他们发现了千新星的证据，这是一种罕见的事件，只发生在中子星与另一个致密物体合并之后。
这一发现(于2022年12月发表在《自然》杂志上)颠覆了长期以来公认的观点，即只有超新星才能产生长伽马射线暴。
戈特利布说:“GRB 211211A重新点燃了人们对长时间GRB起源的兴趣，这些GRB与大质量恒星无关，但可能起源于紧凑的双星合并。”
GRB 211211A的位置，用红色圈出，是用哈勃广角相机3号上的三个滤镜拍摄的。图片来源:NASA, ESA, Rastinejad et al. (2022)
从合并前到长GRB
为了进一步揭示紧凑合并事件中发生了什么，戈特利布、伊萨和他们的合作者试图模拟整个过程——从合并之前一直到GRB事件结束，当产生GRB的喷气机关闭时。因为这是一项计算成本极高的壮举，所以整个场景以前从未被建模过。戈特利布和伊萨克服了这一挑战，将场景分为两个模拟。
首先，研究人员模拟了合并前的阶段。然后，他们将第一次模拟的输出插入合并后的模拟中。
“因为两个模拟使用的时空是不同的，这个重新绘制的地图并不像我们希望的那样简单，但是Danat发现了它，”Tchekhovskoy说。
Gottlieb说:“这两种模拟的菊花链使我们的计算成本大大降低。”“在合并前阶段，物理学非常复杂，因为有两个物体。在预合并之后就简单多了，因为只有一个黑洞。”
在模拟中，紧凑的物体首先合并形成一个更大的黑洞。黑洞强烈的引力将已经被摧毁的中子星碎片拉向它。在碎片落入黑洞之前，一些碎片首先以吸积盘的形式围绕黑洞旋转。在研究的结构中，新兴的圆盘质量特别大，是太阳质量的十分之一。然后，当质量从圆盘落入黑洞时，它为黑洞提供动力，发射出一股加速到接近光速的射流。
磁盘属性很重要
当研究人员调整这个巨大圆盘的磁场强度时，一个惊喜出现了。强磁场会产生短而明亮的伽马射线暴，而弱磁场产生的喷流与观测到的长伽马射线暴相匹配。
“磁场越强，它的寿命就越短，”戈特利布说。“弱磁场会产生较弱的喷流，新形成的黑洞可以维持更长的时间。这里的一个关键因素是巨大的圆盘，它可以与弱磁场一起维持与观测一致的GRB，并可与GRB211211A的亮度和长持续时间相媲美。虽然我们发现这个特殊的双星系统产生了一个长GRB，但我们也预计其他产生大质量磁盘的双星合并将导致类似的结果。这只是一个合并后磁盘质量的问题。”
当然，在这种情况下，“长”是相对的。伽马射线暴分为两类。持续时间少于两秒的伽马射线暴被认为是短的。如果GRB持续两秒或更长时间，那么它就被认为是长时间的。即使是如此简短的事件，也很难建立模型。
伊萨说:“这个圆盘物质的大部分最终被黑洞吞噬，整个过程只持续了几秒钟。”“主要的挑战在于:在几秒钟的时间里，用超级计算机模拟来捕捉这些合并的演变是非常困难的。”
下一个是中微子
既然戈特利布和伊萨已经成功并全面地模拟了合并的整个过程，他们很高兴能继续更新和改进他们的模型。
“我目前的努力是为了提高模拟的物理准确性，”伊萨说。“这涉及到中微子冷却的结合，这是一个重要的组成部分，它有可能显著影响合并过程的动力学。此外，中微子的加入是实现更准确地评估这些合并产生的抛射物质的核组成的关键一步。通过这种方法，我的目标是提供一个更全面、更准确的中子星合并图像。”
参考:Ore Gottlieb, Danat Issa, Jonatan Jacquemin-Ide, Matthew Liska, Francois Foucart, Alexander Tchekhovskoy, Brian D. Metzger, Eliot Quataert, Rosalba Perna, Daniel Kasen, Matthew D. Duez, Lawrence E. Kidder, Harald P. Pfeiffer和Mark A. Scheel, 2024年8月31日，《天体物理学报》。2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / aceeff
这项研究由美国国家航空航天局、美国国家科学基金会和美国能源部资助。
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