​双中子星并合事件GW170817产生喷射物质 扩张速度接近光速

双中子星并合事件GW170817产生喷射物质 扩张速度接近光速

中子星并合遗迹—“黑洞（中子星）-吸积盘”系统产生的喷流冲破千新星壳层进入星际空间。致谢：NASA / CXC / GSFC / B.Williams等

参与此次观测的射电望远镜代表。Credit：Paul Boven（JIVE）。

由五大洲33个射电望远镜组合的全球观测网获得的双中子星并合后产生的喷流的图像。伪彩色图像表示亮度，图像中心最亮的红点是喷流，图中其余成份都是噪声。图片来源：Ghirlanda et al. 2019, Science。

据EurekAlert!：新的研究报告，研究人员应用全球射电望远镜网显示，双中子星并合事件GW170817产生了一股喷射物质，其扩张速度接近光速。

在一个距地球1.3亿光年的星系中，有一对中子星合并在了一起。它们的碰撞发出了引力波和电磁辐射，后者于2017年8月在地球上被望远镜和引力波探测器检测到。该发射的头几天表明，它是由千倍新星产生的，这是一种放射性衰变驱动的发射，它起源于发生该合并事件时及之后所喷射出的物质。

然而，在最初发现之后的几个星期中，X-光和射电辐射增加也被检测到，后者持续被观察到的时间达几个月之久。这些长时间持续的喷射被解读为合并的“余辉”并提示扩增的喷射物质与周围的星际气体发生相互作用。然而，据作者披露，人们对这一余辉喷射是如何产生的仍然了解甚少，因为先前的数据并无判定该来源大小所需的分辨率。

Giancarlo Ghirlanda和同事使用了一个分布于五大洲的由32个射电望远镜组成的阵列，旨在于合并事件207.4天后观察该射电余辉。应用甚长基线干涉测量（VLBI），Ghirlanda等人结合了所有望远镜的数据来约束该来源的角距大小。结果表明，这些射电来源的大小和位置与某些人所提出的“壅塞射流”或“茧缚”场景的模型不兼容。

相反，这些数据表明，GW170817产生了一个结构化的物质射流，其扩张速度与光速近乎同样快，使得它能贯穿合并体周围的喷出物而进入远处的星际空间。

相关报道：科学家从中子星合并中发现致密物质喷射流

据中国科学报（见习记者 辛雨 程唯珈）：在天文学里，GW170817是划时代的里程碑事件。

2017年8月17日，在距离地球1.3亿光年的星系中，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）和欧洲“处女座”（VIRGO）引力波探测器共同探测到了两颗超密度中子星合并引起的微弱时空涟漪。

时隔一年半，2月22日凌晨，意大利国家核物理研究院联合中科院紫金山天文台、中科院新疆天文台等研究机构在《科学》发表研究称，他们利用全球射电望远镜网络，探测到双中子星合并事件GW170817产生了一种致密物质喷射流，这是一股以接近光速膨胀的物质射流。

中子星合并震惊世界

在浩瀚的宇宙中，有着无数的天体。其中，中子星是由太阳质量8～30倍的恒星演化而来。

当恒星的演化进入末期，由于引力压缩，恒星会发生超新星爆炸，形成中子星。因此，一般来说中子星的体积非常小，直径约为2000米。但中子星的密度却非常大，每立方厘米重1亿吨以上，是目前已观测的除黑洞外密度最大的星体。此外，中子星的温度极高、压强和磁场强大，其所具有的能量非常惊人。

一个多世纪以前，爱因斯坦曾预测引力波的存在，而GW170817是科学家第五次直接检测到引力波，也是第一次侦测到发射引力波的中子星合并事件，并确认中子星合并确实会发生。

论文共同第一/通讯作者、意大利国家核物理研究院教授Giancarlo Ghirlanda在接受《中国科学报》采访时表示：“GW170817是首次被侦测到发射引力波与电磁辐射的天文事件。但事件发生200天后，我们仍无法判断这次合并是产生了一种相对射流，还是更像一种球形爆炸。”

神秘的“余辉”

有科学家认为，中子星合并产生强烈爆炸，将一层物质抛向了太空。在这个壳层结构中，合并的中子星形成了一个黑洞，并开始吞噬大量的气体和灰尘。这些物质在黑洞周围形成一个快速旋转的盘状结构，不久之后，这种黑洞盘状结构的两极区域开始喷发物质流。

目前，尚不清楚喷射流是否会冲破最初爆炸形成的残骸壳，但2018年《自然》发表的一篇文章称，研究人员的观测结果表明，在探测到GW170817事件之后的第75天和第230天，的确发生了这种现象。

就在GW170817事件之后的第207.4天，Ghirlanda等人探测到了一种致密物质喷射流。

最初几天的数据表明，它是由千倍新星（kilonova）产生的，千倍新星是在双中子星合并期间和合并后，发生的一种由放射性衰变产生的喷放。“在探测到此喷放后的几周内，我们发现X射线和无线电辐射不断增加，且持续了数月。”Ghirlanda说。

这些长时间的喷放被解释为中子星合并后的“余辉”，并且暗示了膨胀的喷射物质与周围星际气体的相互作用。然而，研究人员表示，由于之前的数据无法确定发射源的大小，这种“余辉”发射是如何产生的并不可知。

扩张速度接近光速

研究人员推测“余辉”发射可能是由狭窄的相对喷射流或各向同性流产生。

Ghirlanda和同事们结合了分布在五大洲的32台射电望远镜阵列，观察了双中子星合并后第207.4天的射电余辉。他们采用甚长基线干涉测量技术（VLBI），利用地球自转，将32台射电望远镜一天的观测结果结合起来，来限制“余辉”发射源的角度大小。

结果表明，射电源的大小和位置与先前提出的设想模型不符。观测数据显示，GW170817产生了一种结构喷射流，其扩张速度几乎和光速一样快，能够穿透合并后的周围喷射物，进入更远的星际空间。

据论文共同第一/通讯作者、意大利国家核物理研究院教授Om Sharan Salafia介绍，无线电波成像是观测发射源细节的有效方法。这张全球VLBI观测的图像显示，中子星合并后产生的发射源非常致密。“对图像进行研究发现，我们探测到的辐射来自喷射流在星际介质中膨胀所产生的冲击波。”Salafia说。

研究人员表示，下一步他们会对即将探测到的中子星合并进行类似的观测。Salafia告诉《中国科学报》：“下一次观测将于4月份开始，我们可能会再次发现令人兴奋的新东西。”

相关论文信息：DOI:10.1126/science.aau8815 (2019)

相关报道：双中子星并合引力波事件之喷流破“茧”而出

据中国科学院上海天文台：2017年8月，人类首次发现了双中子星并合引力波事件GW170817，是迄今为止发现的唯一此类事件，并后续探测到它的电磁波对应体，从而开启了多信使天文学时代。近日，国际顶级期刊《科学》的一篇文章发表了最新进展：全球五大洲的射电望远镜组网观测，发现了双中子星并合后产生的喷流破“茧”而出，揭开了喷流的身世之谜。上海天文台的研究人员以及中国望远镜（上海天马望远镜、云南昆明望远镜、新疆乌鲁木齐望远镜）在此项研究中发挥了重要作用。

一、GW170817如何与众不同？

自从2015年首次探测到引力波后，人类已经发现了多次引力波事件，但都是两个黑洞并合产生的，直到2017年8月首次探测两颗中子星并合产生的引力波事件GW170817。它显得与众不同，因为除了引力波，还在整个电磁波段产生了超强电磁辐射。

伴随着中子星并合过程，会发生伽玛射线爆发；随着质量巨大的物质被抛射出去，这些抛射物与星际介质作用，产生了从X射线到射电波段的光，被称作伽玛暴余辉。抛射物在并合后的天体（黑洞或大质量中子星）周围形成一个“壳”。

二、余辉为何如此，喷流“成功”或“失败”？

既GW170817发现后，天文学家们在X射线、光学和射电波段对余辉继续进行了大量的跟踪观测，意外地发现余辉在缓慢变亮，该过程持续了150天左右，之后开始逐渐变暗。对于这一现象，该如何解释呢？　

理论认为，这种持续上百天的电磁辐射被认为是来自于新形成的系统产生的喷流，其中两个喷流模型得到了较多的观测支持，但两者之间存在激烈的争论。焦点在于喷流能否成功突破抛射物形成的包层：成功喷流（也称结构化喷流）模型认为喷流是准直的，能够穿透壳层，然后进一步延伸到更远的星际空间；而失败喷流（也称窒息喷流）模型则认为，喷流张角比较大，准直性不好，被束缚在“蚕茧”一样的抛射物壳层里，无法冲破壳层，只能慢慢推动壳层膨胀得更大。

三、甚长基线干涉测量技术出招解难题

令人遗憾的是，即使X射线、光学、射电望远镜进行了长达两百多天的监测，却始终无法从亮度变化上对两个喷流模型进行有效地区分。该工作的第一作者、意大利国立天体物理研究所的Giancarlo Ghirlanda博士表示，“解决理论模型的争论还得寄希望于更高分辨率的射电图像。根据理论预期，在电磁辐射爆发200多天后，成功喷流会运动到较远的距离，并且保持致密的形态；相反，窒息喷流的运动距离会比较短，辐射区域的尺度会更大，形态像一个大气泡。”

论文第五作者、瑞典查尔姆斯理工大学高级支撑科学家/上海天文台客座研究员杨军介绍，由于喷流的射电辐射非常微弱，再加上从150天之后亮度开始减弱，只有非常灵敏的射电望远镜阵列才能探测到。另一位论文合作者、上海天文台的安涛研究员指出，不论哪个模型，预测的喷流结构大约几个毫角秒，只有超高分辨率的甚长基线干涉测量技术（VLBI）才能获得其图像。因此，VLBI在GW170817射电余辉观测中扮演起独一无二的角色。

四、VLBI发现GW170817的喷流破“茧”而出，提供了“成功”喷流模型的强有力证据

从引力波事件GW170817被发现起的一年时间里，一个由30多人组成的国际团队利用全球VLBI网对GW170817进行了多次规模不同的观测。最大规模的一次观测，也是最好的观测数据来自于2018年3月12-13日的全球联测，此时距离GW170817的发现已经过去207天了。

据杨军介绍，本次观测组织协调了分布全球五大洲（欧洲、亚洲、北美洲、大洋洲、非洲）共计32架望远镜，如图2所示，观测频率为5GHz。安涛特别指出，GW170817位于南天，中国天马65米射电望远镜和昆明40米射电望远镜的地理纬度较低，与澳大利亚望远镜的共视时间较长，因此在南北方向上贡献了不少宝贵的长基线数据，对最终实现高分辨率成图起到重要作用。

此次全球VLBI观测数据的分辨率更高，图像最高分辨率达到1.5毫角秒，约为地球上观测月面嫦娥卫星登陆器所张的角度的一半。安涛表示，此次观测对射电源的大小做出了最严格的限制，是对不同喷流模型的最强约束，为结构化喷流模型提供了强有力的独立观测证据。

该项研究取得的重大突破也激发了射电天文学家对引力波电磁对应体观测的信心和研究兴趣。从2019年开始，引力波探测器进入了新一轮观测，预期在未来几年，将会发现更多中子星并合事件，按照理论预测，超过10%的并合事件能产生成功喷流，能够用VLBI技术精确地测量位置、大小及其运动速度，进而约束喷流与视线方向的夹角、喷流本征速度、喷流释放的能量等关键物理参数，从而为我们认识引力波事件提供更多的信息。