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不符合科学理论的引力波数据:揭示中子星双星系统的形成秘密

2021-10-28 11:09:27 来源:网络 责任编辑:
  在中子星双星系统形成的后期,巨星膨胀并吞并了中子星伴星,这被称为“共包层演化”(a)。包层的弹射使中子星的轨道接近包层剥离星。系统的演化取决于质量比。质量相对较小的剥离恒星将经历额外的质量转移阶段,进一步剥离自身,并使伴星旋转更快,成为脉冲星。在银河系中观测到的中子星双星系统和gw170817就是这种类型(b)。质量较大的剥离星不会膨胀太大,从而避免进一步剥离和被伴星吸收,最终形成一个双星系统,如gw190425(c)。对于质量较大的剥离星,将形成黑洞-中子星双星系统,如gw200115(d)。
  引力波的探测也带来了新的挑战,如如何找出引力波的成因。这听起来是个简单的问题,但回答起来要困难得多。最近,丹麦哥本哈根大学的一个研究小组开发了一个恒星死亡模型。他们认为,该模型将有助于解释一些以前无法解释的发现,并提出特定星系中的大质量中子星比以前认为的要多得多。在物理学研究中,科学家往往收集一些似乎与当前科学理论不符的数据。例如,当LIGO第二次探测到引力波时,出现了一些意想不到的数据。通常,LIGO记录两个致密物体(如黑洞和中子星)碰撞产生的引力波,即时空涟漪。在LIGO确定的第二个记录(最初记录于2019年,现在称为gw190425)中,数据指出的引力波源是两个合并的中子星,但它们的质量令人惊讶
  从之前的观点来看,常规中子星很难“看到”。中子星通常是在超大质量恒星向内坍缩后形成的,这类似于它们的“近亲”黑洞。然而,它们偶尔会形成脉冲星,这是宇宙中最引人注目的恒星形式之一。通常,观测双星系统(如gw190425的引力波信号源)的唯一条件是该系统的两颗恒星中有一颗是脉冲星,并与相邻的常规中子星相互作用。然而,在已知的中子星双星系统中,科学家们还没有发现一个质量足够且能与LIGO探测到的信号相匹配的系统。研究人员认为,缺少此类恒星的部分原因是,较大的恒星在死亡时会变成黑洞,而不是中子星。然而,这些引力波信号确实来自大质量中子星的合并,而不是黑洞碰撞。那么是什么导致了这些大中子星的形成呢?为什么它们不能与脉冲星配对?答案可能在于一类叫做条纹星的恒星。这些恒星,也被称为“氦星”,只在双星系统中形成,它们的氢壳将被系统中的另一颗恒星推开,留下一个纯氦核。研究小组模拟了这些恒星,试图了解超新星爆炸后会发生什么。这取决于两个因素:剩余核心的质量和超新星爆炸的强度
  通过恒星演化模型,研究团队发现,对于氦恒星,部分氦外层将在超新星爆炸中被抛出,从而将恒星质量降低到无法演化成黑洞的程度。这也许可以解释大质量中子星的起源,但为什么它们在有脉冲星的双星系统中不那么明显?要回答这个问题,我们需要了解双星系统中的一个标准过程——质量传递。通常,双星系统中的一颗恒星会有一些物质流向另一颗质量更大的恒星。这个过程叫做传质。在中子星系统中,这种质量转移有时会使中子星旋转得更快,成为脉冲星。然而,恒星的氦核越大,发生质量转移的可能性就越小。因此,形成大质量中子星的系统不太可能最终演化成具有脉冲星的双星系统;这些中子星更有可能保持自身的质量,而不是将质量转移到伴星上,这使得后者的脉冲星——LIGO获得的其他数据也支持这一理论。在宇宙中,高质量中子星的合并似乎与相对低质量中子星和脉冲星的合并一样常见。由大质量中子星组成的双星系统可能存在,但它们不能被普通探测方法“看到”。然而,在LIGO的帮助下,我们至少可以检测到这些系统何时合并,这是真正理解它们的重要一步。

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