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环球速讯:突破爱丁顿极限:美国宇航局揭开超光速X射线源背后的秘密

被称为超光X射线源的异域宇宙物体产生的能量是太阳的1000万倍。事实上,它们是如此的光芒四射,以至于它们似乎超越了一个被称为爱丁顿极限的物理界限,该界限根据一个物体的质量为其亮度设定了上限。超光X射线源(简称ULXs)经常超过这个极限100到500倍,让科学家们感到困惑。


(资料图)

在最近发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中,研究人员报告了用美国宇航局的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)对ULX进行的首次测量。这一发现证实了这些光发射体像它们看起来那样明亮,而且它们打破了爱丁顿极限。

一种假设认为,这种突破极限的亮度是由于ULX的强磁场造成的。但是科学家们只能通过观测来检验这个想法: ULX的磁场比地球上有史以来最强的磁铁还要强大数十亿倍,因此无法在实验室中复制。

NuSTAR航天器的插图,它有一个30英尺(10米)高的桅杆,将光学模块(右)和焦平面的探测器(左)分开。这种分离对于用于探测X射线的方法是必要的。资料来源:NASA/JPL-Caltech

突破极限

被称为光子的光粒子对它们所遇到的物体施加一个小的推力。如果像ULX这样的宇宙物体每平方英尺发出足够多的光,光子的向外推力可以压倒物体重力的向内拉。当这种情况发生时,一个物体就达到了爱丁顿极限,理论上,来自该物体的光将推开任何落向它的气体或其他物质。

这个开关在当光压倒引力时是非常重要的,因为落到超低频星上的物质是其亮度的来源。这是科学家们经常在黑洞中观察到的现象: 当黑洞的强大引力将杂散的气体和尘埃拉进来时,这些物质会发热并辐射出光线。科学家们曾经认为ULXs必须是被明亮的气体库所包围的黑洞。但是在2014年,NuSTAR的数据显示,一个名为M82 X-2的ULX实际上是一个不太大的天体,称为中子星。与黑洞一样,中子星是在恒星死亡和坍缩时形成的,它将超过我们太阳的质量装入一个比中型城市大不了多少的区域。

这种令人难以置信的密度也在中子星的表面产生了一个引力,比地球表面的引力强100万亿倍。被这种引力拖入的气体和其他物质会加速到每小时数百万英里,当它们撞上中子星的表面时释放出巨大的能量。(例如,一颗棉花糖掉在中子星的表面,会以相当于一千颗氢弹的能量撞击它)。这就产生了NuSTAR探测到的高能X射线光。

最近的研究针对的是2014年发现的核心ULX,并发现,像一个宇宙寄生虫一样,M82 X-2每年从一颗邻近的恒星上偷取大约90亿兆吨的物质,或大约是地球质量的1.5倍。知道了撞击中子星表面的物质数量,科学家们可以估计出超低频星应该有多亮,他们的计算结果与独立测量的亮度相符。这项工作证实M82 X-2超过了爱丁顿极限。

没有幻觉

如果科学家们能够确认更多的超低频星的亮度,他们可能会让一个挥之不去的假设成为现实,这个假设可以解释这些天体的表面亮度,而超低频星不需要超过爱丁顿极限。这个假说基于对其他宇宙天体的观测,认为强风在光源周围形成了一个空心锥体,将大部分的辐射集中在一个方向。如果直接对准地球,这个圆锥体可能会产生一种视觉错觉,让人误以为ULX超过了亮度极限。

即使某些超低频辐射是这种情况,新研究支持的另一种假设表明,强磁场将大致为球形的原子扭曲成细长的,有弦的形状。这将减少光子推开原子的能力,最终增加一个物体的最大可能亮度。

意大利国家天体物理研究所卡利亚里天文台的天体物理学家、最近研究的主要作者马特奥-巴切蒂说:"这些观察让我们看到了这些令人难以置信的强磁场的影响,我们用现有的技术永远无法在地球上再现这些磁场。这就是天文学的魅力所在。观察天空,我们扩大了我们研究宇宙如何运作的能力。另一方面,我们不能真正设置实验来快速获得答案;我们必须等待宇宙向我们展示它的秘密。"

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