凶残的黑寡妇脉冲星

说到“黑寡妇”你会想到什么?是能分泌致命神经毒素的恐怖蜘蛛,还是漫威里风情万种的寡姐?如果你要问一名天体物理学家,那么他可能会给你一个不一样的答案 —— 一类特殊的脉冲星。为什么要给天体起一个蜘蛛的名字?难道它们之间有什么相似之处吗?

我们知道,作为恒星在演化末期剩下的残骸,脉冲星是一种高度磁化的致密星,密度非常高。它们本质上可能是一颗地球大小的白矮星,但更可能是一颗只有城市大小的中子星

中子星这个名字经常让人误以为它完全是由不带电的中子构成的,其实不然。中子星的结构非常复杂,甚至于迄今为止我们也没有完全搞清楚它的组成。不过种种迹象表明,构成它的部分物质仍然存在带电粒子。

带电,而且自身在旋转,再加上本身的高密度,因此中子星不但有磁场,磁场通常还非常强。于是很多中子星的磁极会向外发出电磁辐射束,当辐射束和自转轴存在夹角且辐射束可以扫过地球时,我们便能观察到它周期性的脉冲信号,因此人们称其为“脉冲星”。

通常来说,成为一颗脉冲星意味着恒星已经走完了它绚丽的一生。它内部的物质已经没有了正常的物质结构,处于的是一种由泡利不相容原理支配的极端量子态 —— 简并态。这种状态的物质就像《三体》里“水滴”外壳的材料,已经完全固化锁死,不会再有任何核反应发生。所以对于恒星来说,这就相当于它的内部器官已经彻底衰竭,等待它的是彻底的凉凉。没错,就是物理上的凉凉 —— 彻底冷却。

宇宙中的恒星都会这样孤独终老吗?其实像我们太阳这种“单身狗”在宇宙中可能并不是主流,很多恒星人家都是成双结对出现的,也就是双星系统。这些系统中的中子星,它们往往会在自己彻底凉凉之前,凭借自身强大的潮汐力把伴星给撕碎,然后通过吸取对方身上物质的方式来为自己“续命”,这被称为“吸积过程”。

在吸积过程中,物质落入中子星时会向外辐射 X 射线,它标志着中子星仍然“气息尚存”。吞噬伴星的物质不但使得中子星得以续命,同时它还因此获得了落入物质带来的角动量,也就自身的转速会在这个过程中逐步提高,直至成为一颗自转周期仅有几毫秒的毫秒脉冲星

这种毫秒脉冲星除了有着周期性的电磁辐射外,还会产生类似太阳风那样的高能粒子风。此时,它的伴星如果离的不远,完了再恰巧是一颗质量不大的“小家伙”的话,那么这些辐射和粒子风将会对这颗伴星产生毁灭性打击。

1988 年,天文学家通过阿雷西博射电望远镜,在距离地球 6500 光年的位置发现了一颗诡异的毫秒脉冲星(PSR B1957+20)。

不同于往常的脉冲星信号,这颗脉冲星的信号会时不时地减弱甚至消失。经过分析发现,信号减弱的原因是伴星运动到了脉冲星的前方把辐射束遮挡住了,类似日食的原理,因此人们称其为“掩食脉冲星”。

伴星遮挡了辐射束,这意味着这颗恒星正在承受着脉冲星强大的电磁辐射。本来自己的物质都在被一点点吸走,每天还要经受电磁辐射的洗礼,此外高能的粒子风还在玩命地往身上吹,在这多重打击之下,这颗伴星已经选择彻底躺平,任凭剥离其表面物质。

这种一边吸取伴星物质还一边对其进行疯狂揉虐的行为,十分类似黑寡妇蜘蛛会肢解与它们交配后的伴侣的这个习性,于是“黑寡妇脉冲星”这个名字便由此而来。

黑寡妇脉冲星看起来这么凶,其中一个原因也在于它的对手十分弱小。它的伴星质量还不到太阳的 1/20,通常是些褐矮星或者是超级木星。不过此后天文学家在一些掩食脉冲星周围,又发现了更大的伴星。它们至少有 1/10 太阳质量,有些甚至可以达到半个太阳。如果黑寡妇的伴星由于质量小,还不能被算作标准恒星的话,这个体量的伴星绝对够得上红矮星的标准了。由于红矮星本身也会产生高能粒子风,这就使得它可以和脉冲星的粒子风叫一叫板。凭借着自己的吨位,它似乎有了一些反抗脉冲星的底气。

然而面对这类大个子伴星,脉冲星的动作虽然稍显吃力,但就凶残程度而言可谓有过之而无不及。因此,天文学家把这种有着大个子伴星的掩食脉冲星起名为“红背脉冲星”。没错,红背蜘蛛是一种比黑寡妇更毒、也喜欢吃掉伴侣的蜘蛛,通常也叫做赤背寡妇蛛。

无论是“黑寡妇”还是“红背”,人们把这种吞噬并摧毁伴星的脉冲星统称为“蜘蛛脉冲星”。目前已发现的蜘蛛脉冲星已经超过了 90 颗,其中有将近一半的蜘蛛脉冲星都位于球状星团中。比如 2023 年,天文学家在距离我们 17000 光年的球状星团 NGC 5139 中,就新发现了 5 颗蜘蛛脉冲星。

为什么球状星团中更容易发现蜘蛛脉冲星呢?一个是这里的恒星更加密集,一个是这里的恒星更加古老。“密集”意味着恒星之间更容易产生“摩擦”,而“古老”意味着有更多的恒星走到了生命的尽头成为了脉冲星。

那么,随着时间的推移,那些长期遭受脉冲星摧残的伴星会有怎样的结局?它们是否会被吸干榨净最终灰飞烟灭呢?

根据以往对黑寡妇脉冲星的研究,它们的伴星如果要被彻底摧毁,通常需要相当长的时间,这个时间甚至会超过当前宇宙的年龄。然而事实上,天文学家已经发现了几百颗孤立的毫秒脉冲星,大约占到了毫秒脉冲星总数的 1/3。虽然这里面不排除有些是母胎 Solo,但是这显然不能解释高达 1/3 占比的这个情况。

2022 年,中国科学院云南天文台的研究人员提出了一种黑寡妇脉冲星模型。在这个模型中,脉冲星通过释放伽马射线高能粒子,可以使其伴星在较短时间内变得骨瘦如柴,也就是降低到一个极低的质量。有多低呢?低到甚至不如天王星、海王星这些行星。之后,这些骨瘦如柴的伴星(应该不能叫伴星,这完全已经是行星了)它们会被脉冲星的潮汐力直接撕碎,从此在宇宙中彻底灰飞烟灭。此后,黑寡妇脉冲星就会变成一个孤立的毫秒脉冲星。

作为孤家寡人,这些脉冲星的未来又会怎样呢?

对于红背脉冲星来说,自从它把伴星从一颗红矮星逐步剥离成褐矮星后,它也从红背脉冲星变成了一颗黑寡妇脉冲星(伴星变小了嘛)。等到把伴星彻底摧毁后,它就会成为一颗孤立的脉冲星。之后,随着时间的流逝脉冲星将会逐渐冷却,同时自转也会变慢。等到彻底越过所谓的“死亡线”后,脉冲星将无法继续产生高能射线。此后,它将仅作为一颗普通的中子星逐渐耗尽自身的能量,直到迎来最终死亡的那一天。

本文来自微信公众号:Linvo 说宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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