爆發過程的動畫模擬(圖:NASA)

美國太空總署(NASA)在國際太空站上的中子星內部成分探測器(Neutron star Interior Composition Explorer, NICER),在今年八月偵測到 X 射線瞬間峰值,這是 NICER 偵測到迄今最明亮的 X 射線能量爆發,來自一個稱為  J1808(全名為 SAX J1808.4-3658)的脈衝星(Pulsar)。NICER 在此次創紀錄的噴發中觀測到許多從未在單一爆發中發現過的現象。

X 射線爆發

NASA戈 達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)首席研究員和馬里蘭大學學院市分校(University of Maryland, College Park)的天體物理學家彼得·布爾特(Peter Bult)表示:「這次爆發不同凡響,亮度發生了兩段變化,我們認為這是由脈衝星表面上分離的各層噴射導致,除此之外我們也有看見其他有助於我們對這些威力驚人的物理現象解析的特徵。」

天文學家將這次爆發歸類為 I 型 X 射線爆發,這次爆發在 20 秒內釋放了等同於太陽在近 10 天內釋放出的能量。脈衝星是一種中子星,當大質量的恆星用盡燃料,經重力塌縮發生超新星爆炸之後留下的緻密核心。脈衝星可以快速旋轉,並在其磁極上容納發射 X 射線的熱點。它旋轉時會將熱點掃過我們的視線,而產生規律的高能輻射脈衝。

組成結構

J1808 位於約 11,000 光年外的人馬座,每秒旋轉 401 圈,與一顆棕矮星組成聯星系統。穩定的氫氣流從棕矮星流向 J1808,並聚集在一個巨大的存儲結構中,稱為吸積盤。吸積盤中的氣體不容易向內移動。但每隔幾年,脈衝星周圍的吸積盤會因氣體濃度提高,以至於大量的氣體離子化,使得光線更難穿透其間。

這些被捕獲的能量使氣體加熱和離子化,進而擴大影響區域並捕獲更多的能量,讓整個過程失控,氫氣變得更難以流動,並開始向內盤旋,最終傾瀉到脈衝星地表形成了一個高溫且不斷加深的「海洋」。海底的溫度和壓力不斷升高,直到氫核融合形成氦核,並產生能量,與太陽核心發生的過程相同。

事件經過與未解之謎

NICER 的副研究員札文·阿左曼尼安(Zaven Arzoumanian)表示:「氦氣逐漸沉降並積聚獨立成一層。一旦氦層深達幾米,這種條件就會使氦核融合成碳。然後氦氣爆炸性噴發,沖出脈衝星表面釋放出熱核火球。」

在爆發瞬間,NICER 數據顯示其 X 射線亮度穩定了將近一秒,然後以較慢的速度再次增加。研究人員將這段延遲解釋為爆炸能量正在累積,直到足以突破氫層。火球繼續成長了另外兩秒鐘,然後達到最高峰,吹散更廣大的氦氣層。氦膨脹得比氫層消散更快,在那之前就佔據了氫層,然後變慢,停止並沉降回到脈衝星表面。在此階段之後,脈衝星的亮度短暫再次提高約 20%,但團隊尚無法了解原因。

在 J1808 的最近一輪活動中,NICER 觀察到另一次較微弱的 X 射線爆發,在那次爆發中,沒有表現出八月事件中所觀察到的關鍵特徵。

參考資料:

  1. Garner, R. (2019, November 7). NASA’s NICER Catches Record-setting X-ray Burst. Retrieved November 18, 2019.
  2. Bult, P., Jaisawal, G. K., Güver, T., Strohmayer, T. E., Altamirano, D., Arzoumanian, Z., … Ludlam, R. M. (2019). A NICER Thermonuclear Burst from the Millisecond X-Ray Pulsar SAX J1808.4–3658. The Astrophysical Journal, 885(1). doi: 10.3847/2041-8213/ab4ae1
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