我院杨圣研究员团队在《Nature》发表研究成果揭示中子星与黑洞的形成之谜
日前，天文学家发现了大质量（大于10个太阳质量）恒星的爆炸死亡与宇宙中最致密、最神秘的物体——黑洞和中子星的形成之间的直接联系。此项研究工作由包括河南省科学院和以色列魏茨曼研究所在内的的国际联合团队合作完成，我院引力波天文台（筹）杨圣研究员参与其中，相关成果已发表在2024年1月11日的《自然》杂志上。
当大质量恒星走到生命尽头时，它们的核燃料被耗尽，导致核燃烧停止。这些恒星继而在自身引力作用下迅速坍缩，引发了一场被称为“超新星”的剧烈爆炸。天文学家认为在爆炸结束后，恒星中心会残留一个被称之为“致密残骸”的超高密度核心。根据恒星的质量大小，致密残骸可能是一颗中子星（一茶匙中子星物质在地球上重约一万亿千克）或是一颗黑洞（一种连光都无法逃离的物体）。天文学家在过去发现了许多暗示这些剧烈爆发事件的线索，比如在蟹状星云中发现了一颗中子星。但是他们从未亲眼见证这一过程的发生，这意味着超新星爆发产生致密残骸的理论缺乏直接观测证据，而本研究工作则直接展示了这一过程。
研究人员的幸运发生在2022年5月，当时南非业余天文学家Berto Monard在距离地球7500万光年的星系NGC 157的螺旋臂上发现了超新星SN 2022jli。由于其亮度变化非常独特，SN 2022jli一经发现便引起了专业天文学家们的广泛注意。一般而言，在爆炸之后大多数超新星的亮度通常会随时间逐渐减弱。但是SN 2022jli却与众不同：在爆发之后，它的亮度不是逐渐变暗，而是以12.4天为周期震荡变化，本研究提出SN 2022jli的系统中存在多颗恒星可以解释这种行为。实际上，大质量恒星与伴星共轨的情况并不少见，这就是所谓的双星系统，产生SN 2022jli的那颗恒星也不例外。然而，该系统引人关注的地方在于，超新星的剧烈爆发似乎并没有摧毁其伴星，致密残骸和伴星在超新星爆发之后继续环绕彼此旋转。此外，本研究还在SN 2022jli系统中观察到了氢气的周期性和伽马射线的爆发。将所有线索综合在一起，本研究认为当伴星与超新星爆炸抛出的物质发生相互作用时，其富含氢气的大气会变的很蓬松。因而，超新星爆炸遗留下的致密残骸在穿过伴星大气时，会窃取这些氢气，形成围绕自身的热物质圆盘。这种定期的物质窃取或吸积释放了大量能量，这在亮度变化中被体现出来。尽管我们目前还无法观察到致密残骸本身发出的光，但本研究认为这种剧烈的吸积过程只能归因于一个看不见的中子星或黑洞。
尽管本研究已确认了黑洞或中子星的存在，但关于这个神秘系统还有诸多未解之谜，包括致密残骸的确切性质及这个双星系统可能面临的结局等。下一代望远镜将有助于解答这个问题，使天文学家能够揭示这个独特系统前所未有的细节。
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06787-x