美國西北大學（Northwestern University）的研究人員進行的模擬顯示，以前被認為是大質量恆星坍縮時才會出現的長伽馬射線暴，也會在中子星合併時出現。這項發現加深了人們對黑洞物理學的理解，並對現有的天文物理學理論提出了挑戰。

黑洞與中子星合併的首次大規模數值模擬與令人費解的觀測結果相符。

2022年，美國西北大學的科學家提出了新的觀測數據，顯示長伽馬射線暴（GRBs）可能源自於中子星與另一顆緻密天體（如另一顆中子星或黑洞）的碰撞–這一發現以前被認為是不可能的。

現在，美國西北大學的另一個研究小組為產生這種史無前例、令人難以置信的光爆提供了一個可能的解釋。

天文物理學家首次進行了數值模擬，追蹤了黑洞與中子星合併後的噴流演變過程，發現合併後的黑洞可以從被吞噬的中子星中噴射出物質。

但關鍵因素在於黑洞周圍劇烈的氣體漩渦（或吸積盤）的質量以及吸積盤磁場的強度。在大質量磁碟中，當磁場強度較大時，黑洞會噴射持續時間很短的噴流，其亮度遠超過觀測所見。然而，當大質量磁碟的磁場較弱時，黑洞就會噴射出與2021年發現、2022年報告的神秘GRB（稱為GRB211211A）具有相同亮度和持續時間的噴射。

這項新發現不僅有助於解釋長GRB的起源，也讓人們深入了解了黑​​洞、黑洞磁場和吸積盤的性質和物理原理。

黑洞-中子星合併噴流大尺度演化的完整模擬。資料來源：Ore Gottlieb/美國西北大學

這項研究最近發表在《天文物理學雜誌》（Astrophysical Journal）。

西北大學的奧雷-戈特利布（Ore Gottlieb）是這項研究的共同負責人，他說：”迄今為止，還沒有人開發出任何數值工作或模擬，能夠持續跟踪從緊湊天體合併到噴流形成及其大規模演化的過程。我們工作的動機就是要首次做到這一點。而我們的發現恰好與GRB211211A的觀測結果相吻合”。

西北大學的達納特-伊薩（Danat Issa）說：”中子星合併是一種迷人的多信使現象，會產生引力波和電磁波。然而，由於涉及巨大的空間和時間尺度分離，以及在這些尺度上運行的各種物理學，模擬這些事件是一項挑戰。我們首次成功地對中子星合併過程的整個序列進行了全面建模”。

研究期間，戈特利布是西北大學天文物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的CIERA研究員；現在他是Flatiron研究所計算天文物理學中心的Flatiron研究員。伊薩是西北大學溫伯格文理學院物理與天文系的研究生，也是CIERA 的成員。論文合著者亞歷山大-切霍夫斯科伊（Alexander Tchekhovskoy）為伊薩提供指導，他是溫伯格物理與天文學副教授，也是CIERA 成員。

奇異的千新星

當天文學家在2021 年12 月首次發現GRB211211A 時，他們最初認為這個長達50 秒的事件是由一顆大質量恆星的坍縮產生的。但是，當他們檢查長GRB的晚期發射（稱為餘輝）時，發現了千新星的證據，這是一種罕見的事件，只有在中子星與另一個緊湊天體合併後才會發生。

這項發現（發表於2022 年12 月的《自然》雜誌）顛覆了人們長期以來一直認為只有超新星才能產生長GRB 的觀點。

戈特利布說：”GRB 211211A重新激起了人們對長持續時間GRB起源的興趣，這種GRB與大質量恆星無關，很可能源自緊湊的雙星合併。”

GRB 211211A 的位置（紅圈處），使用哈伯3 號寬視野相機上的三種濾光片拍攝。圖片來源：NASA、ESA、Rastinejad 等人(2022)

從合併前到長GRB

為了進一步揭示緊湊合併事件的過程，戈特利布、伊薩和他們的合作者試圖模擬整個過程，從合併前一直到GRB事件結束，即產生GRB的噴流關閉。由於這是一項計算成本高得驚人的創舉，整個過程以前從未被模擬過。戈特利布和伊薩克服了這個難題，他們將這個情景分成兩個模擬。

首先，研究人員運行了合併前階段的模擬。然後，他們將第一次模擬的輸出結果輸入到合併後的模擬中。

“由於兩個模擬所使用的時空不同，這種重映射並不像我們希望的那樣簡單，但達納特想出了辦法，”特切霍夫斯科伊說。

戈特利布說：”兩個模擬的菊花鏈使我們的計算成本大大降低。合併前階段的物理學非常複雜，因為有兩個物體。預合併之後就簡單多了，因為只有一個黑洞。”

在模擬中，緊密的天體首先合併成一個質量較大的黑洞。黑洞的強大引力將現已毀滅的中子星碎片拉向它。在碎片落入黑洞之前，有些碎片首先以吸積盤的形式圍繞著黑洞旋轉。在所研究的構型中，新出現的圓盤質量特別大，只有太陽質量的十分之一。然後，當質量從吸積盤掉入黑洞時，黑洞就會發動噴流，加速到接近光速。

盤的特性很重要

當研究人員調整大質量磁碟的磁場強度時，一個驚喜出現了。強磁場產生的GRB時間短、亮度驚人，而弱磁場產生的噴流與觀測到的長GRB相符。

“磁場越強，其壽命就越短，」戈特利布說。”弱磁場產生的噴流較弱，新形成的黑洞可以維持更長的時間。這裡的一個關鍵因素是大質量磁碟，它可以與弱磁場一起維持與觀測結果一致的GRB，並且與GRB211211A 的光度和長持續時間相當。雖然我們發現這個特定的雙星系統產生了長持續時間的GRB，但我們也預計其他產生大質量磁碟的雙星合併也會導致類似的結果。這只是一個合併後磁碟品質的問題。”

當然，在這種情況下，”長”是相對的。GRB分為兩類。持續時間小於兩秒的GRB被認為是短的。如果GRB持續時間為兩秒或更長，則被認為是長GRB。即使是如此短暫的事件，仍然異常難以建模。

伊薩說：”大部分磁碟物質最終會被黑洞吞噬，整個過程只持續幾秒鐘。主要的挑戰就在這裡：利用超級電腦進行模擬，很難捕捉到這些合併在幾秒鐘內的演變過程。”

下一個中微子

現在，戈特利布和伊薩已經成功地全面模擬了合併的整個過程，他們很高興能繼續更新和改進他們的模型。

伊薩說：”我目前的努力方向是提高模擬的物理準確性。這涉及到中微子冷卻的加入，這是一個重要的組成部分，有可能對合併過程的動力學產生重大影響。此外，中微子的加入也是更準確地評估因這些合併而噴射的物質的核成分的關鍵一步。透過這種方法，我的目標是為中子星合併提供一個更全面、更準確的圖景」。

編譯來源：ScitechDaily