yabo88vip登陆

重复快速射电暴或起源于奇异夸克星

作者(zhe):李兵(高(gao)能物(wu)理研究所)耿金(jin)军(jun)(紫金(jin)山天文(wen)台)黄永锋(南京大学)

快(kuai)速射电暴(bao)fast radio burst简称FRB是(shi)天文(wen)学家新近(jin)发现的一(yi)来自(zi)宇宙空间、持续(xu)时间在毫秒量级的强(qiang)烈(lie)射电爆发现象这是当前(qian)国际天(tian)文(wen)学中非常(chang)活跃的(de)一(yi)个领域[1]相关成果入(ru)选2020年(nian)度全球十大科学进展(zhan)。目(mu)前快速射电暴的起(qi)源和爆发(fa)机(ji)制还(hai)不明确天文学(xue)家推测它们可(ke)能(neng)来(lai)自于具有强(qiang)磁场的中子星(xing)磁(ci)陀星)、带有(you)电荷的黑洞或其它致密天体。

至今,已经观(guan)测到的快速射电暴(bao)源(yuan)接近800可初步为非重复暴和重复暴两(liang)类。加拿大氢强度测(ce)绘实(shi)验射电望远镜(jing)(CHIME合作(zuo)组2020年(nian)Nature杂志上(shang)发表(biao)FRB 180916就是一(yi)个典型的重复暴。该(gai)暴(bao)源(yuan)不仅有较高频次的爆发,而(er)且具有(you)准周期爆发特征(zheng)[2]它的活动(dong)周期(qi)16.35天,其中爆发活(huo)跃(yue)期(qi)约5天(tian),宁静期约11,如下面的图(tu)1所示

周期性重(zhong)复暴的发现给快(kuai)速射(she)电暴的研究(jiu)带(dai)来了新的(de)挑(tiao)战和(he)机遇有学者认(ren)为快速射(she)电(dian)暴的周期(qi)性活动来自(zi)于双(shuang)星的轨(gui)道运动,但这通常要求双(shuang)星系统具有(you)极高的轨道偏心率(例如(ru)大于0.95。也有学者(zhe)将其解释(shi)为致密天体的(de)进动,但在定量(liang)说明周期和活跃(yue)期窗口长度等方(fang)面还(hai)有(you)较(jiao)大(da)的不(bu)确定性。

1  CHIMEFRB 180916长期(qi)监测(ce)情(qing)况。图中下(xia)三角(jiao)形及上方标注数字分别表示探测到爆发(fa)事(shi)件时间每个(ge)活动记录到的(de)爆发(fa)次数灰色阴影区域表示(shi)估算5.2天的源活动窗口图片来源于参(can)考文(wen)献[2]


最近,由耿金军(jun)、李(li)兵、黄永锋组成的(de)团队提出了一个全新(xin)的(de)周期性(xing)重复快速(su)射电暴模(mo)型,认为(wei)它们产生(sheng)奇(qi)异夸克(ke)星(简称(cheng)奇异(yi)星(xing))双星系统的吸积过程。模型指出,密近奇异(yi)星双星系统中(zhong),伴星(xing)的物质会被剥(bo)离并流向奇异星(xing),形成一个吸积盘(pan)(如(ru)图(tu)2所示(shi)由于流(liu)体(ti)的(de)热-粘滞不(bu)稳定(ding)性(xing),吸(xi)积盘上的(de)物质流向奇(qi)异星的过程中受(shou)到调制,产生(sheng)周(zhou)期性。最(zui)终落到奇异星上的物质会堆(dui)积在极冠区域,积累到一定程度后极冠壳层局部坍塌,从而导致快(kuai)速(su)射(she)电暴(bao)的(de)发(fa)生。上述过程持续(xu)进行下去就(jiu)能自然地产生周期性重(zhong)复的(de)快(kuai)速射(she)电暴这项工作于近(jin)期(qi)发表在The Innovation期刊 [3]

2 奇异夸克星双星系(xi)统吸(xi)积活动示意图。伴星物质(zhi)受到奇(qi)异星的引力吸引首(shou)先在奇异星周围形成(cheng)吸积盘(pan)盘(pan)上(shang)物(wu)质(zhi)最终沿奇异(yi)星磁层的磁力线落向两极区域(yu)。图片(pian)来源(yuan)于(yu)参(can)考文献[3]


不同于前(qian)人提出的双星轨道运动或者喷流进(jin)动,在(zai)模(mo)型(xing)中(zhong)快速射电暴的周(zhou)期性(xing)活动于吸积盘(pan)的(de)状态转(zhuan)变(bian)(如图3所示)。当(dang)上物(wu)质落(luo)向(xiang)奇异星的速(su)率较(jiao)大(da)时,盘温(wen)度也随(sui)较高(gao),促使物质下落速率进一步(bu)陡升,从而(er)快(kuai)速消耗盘(pan)上物(wu)质(zhi),导(dao)致奇异星两磁(ci)极处物质堆积引起壳层塌(ta)缩(suo)可(ke)产生快速射(she)电暴事(shi)件,此为射电暴(bao)活(huo)跃期。吸积(ji)盘上(shang)物质被消耗到一定程度,会(hui)进(jin)入下落率较低(di)的状态,温度迅速下降,爆发(fa)活动近乎(hu)停(ting)滞从而进(jin)入宁(ning)静(jing)期。吸积(ji)盘在宁(ning)静期(qi)不断累积(ji)物质(zhi),为下一个活跃期(qi)作准备。


3 快速射(she)电暴周期(qi)性活动原(yuan)理示(shi)意图。在(zai)活跃期(左半图),吸积(ji)率较高,盘上物质沿磁(ci)力(li)线(xian)落到奇异星两极(ji)区(qu)域,导(dao)致(zhi)两极壳(qiao)层局(ju)部坍(tan)塌产生(sheng)快速(su)射电暴在宁静期(右(you)半图(tu)),吸积率较低,物质基(ji)本无法抵达奇异星(xing)表面,不能产生快速射电暴(bao)图(tu)片来源(yuan)于(yu)参考文献(xian)[3]


该(gai)研究表(biao)明(ming),快速射电暴的周期性活动来源于吸积不稳定(ding)性,取决于粘滞吸积(ji)的(de)调(diao)制。研究团队的详(xiang)细计算表明,吸积盘粘(zhan)滞参(can)数为(wei)0.004,吸积率为(wei)3×1016g/s这个(ge)模(mo)型可(ke)以自然解释(shi)FRB 180916的活跃期和宁静期长度(du)如(ru)图(tu)4所示

4重复快速射电暴的周期和活跃期数据可(ke)限(xian)制吸积(ji)盘的粘滞参数吸积率(lv)。当粘滞参数为0.004、吸(xi)积率为3x1016g/s 时(shi),模型(xing)FRB 180916(黄(huang)色星(xing)号)给出最佳拟合。图(tu)片来源于参考(kao)文献[3]


奇异星(xing)是一种主要由上夸(kua)(kua)克(ke)、下夸(kua)(kua)克(ke)和奇异夸(kua)(kua)克(ke)直(zhi)接(jie)构成的致密天体。传(chuan)统(tong)上人们普遍认(ren)为脉冲星是中(zhong)子星,其内部主要是以中(zhong)子为主的重子物(wu)质。实际上,由于(yu)人们(men)对致(zhi)密(mi)物(wu)质的相互作用(yong)的认识还非常有限,所谓的(de)中子星的(de)内部结构仍是存在(zai)极大争议的(de)。例(li)如早在1984年,著(zhu)名(ming)物理学家Witten E. 就指出,"在高密度条(tiao)件下,由几(ji)乎等(deng)量(liang)的上夸(kua)(kua)克、下(xia)夸(kua)(kua)克和奇异夸(kua)(kua)克直接构成的奇异夸克(ke)物质可能(neng)具(ju)有(you)更低的能(neng)量。可能这种物质才是重子物质的真正基态,而(er)非中子物质"[4]。如果这个(ge)奇(qi)异(yi)夸克物质假说是正确的话,那么目前(qian)人们所称(cheng)的"中子星(xing)"实(shi)际上都(dou)是奇异星(xing)[5, 6]

但(dan)是,如何从观(guan)测(ce)上区分奇异星和传统意义上的中(zhong)子(zi)星,仍(reng)是(shi)一项艰巨的挑战[7]上世纪90年(nian)代以(yi)来,南京大(da)学黄永锋团队在奇异星的观测(ce)特征方面做(zuo)了大量探索,尤其是在(zai)奇异星壳(qiao)层厚度(du)、奇异夸克行星的观测(ce)特(te)征、奇异星-奇异夸克行(xing)星并合时的引力(li)波辐射(she)特性、奇异星与爆发现象的关联等方(fang)面取得了一系(xi)列进展[8-13]耿金军、李兵、黄(huang)永锋(feng)等人的此项(xiang)最新工作表明(ming),快速(su)射(she)电暴(bao)现象也可能和奇(qi)异星有着密切的关联[3]该(gai)研究有助于(yu)从不同(tong)角度探(tan)索奇异星(xing)的(de)存在性,从而(er)帮助检验奇异夸(kua)克物质假说。

该论文已于2021年812在线发表于The Innovation期刊网站(zhan),纸质版(ban)本也(ye)已于2021年11月28日在(zai)The Innovation期刊正式出版[3]The Innovation由(you)中国科学院青年创新促进会会员与Cell Press出版社(she)于2020年合作创办主要发表各科(ke)学领(ling)域的高质(zhi)量的前沿研究成果,内容涵盖基础(chu)研(yan)究和应(ying)用研(yan)究。

耿金军、李(li)兵、黄永锋(feng)等人的该(gai)项研(yan)究工作得到了中国(guo)国(guo)家(jia)SKA计划、国(guo)家(jia)自然科(ke)学(xue)基金、中国(guo)科(ke)学(xue)院(yuan)战略(lve)性先导(dao)科(ke)技(ji)专(zhuan)项(B类)中国载人航天(tian)工程(cheng)项(xiang)目的资助。


参(can)考(kao)文献

1.   Lin L., Zhang C.F., Wang, P., et al.,2020, Nature, 587, 63: No pulsed radio emission during a bursting phase of a Galactic magnetar

2.   CHIME/FRB Collaboration, Amiri M., Andersen B.C., et al.,2020,Nature, 582, 351: Periodic activity from a fast radio burst source

3.   Geng Jin-Jun, Li Bing, Huang Yong-Feng, 2021, The Innovation, 2,100152: Repeating fast radio bursts from collapses of the crust of a strange star(http://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100152)

4.   Witten E., 1984, Phys. Rev. D, 30, 272: Cosmic separation of phases

5.   Alcock C., Farhi E., Olinto A., 1986, ApJ, 310, 261: Strange stars

6.   Wang Q.D., Lu T., 1984, Phys. Lett. B, 148, 211: The damping effects of the vibrations in the core of a neutron star

7.   Wu X. H., Du S., Xu R. X., 2020, MNRAS, 499, 4526: What if the neutron star maximum mass is beyond ∼2.3 M?  

8.   Huang Yong-Feng, Lu Tan, 1997,A&A, 325, 189: Strange stars: how dense can their crust be?

9.   Geng  J. J., Huang  Y. F., Lu T., 2015, ApJ, 804, 21: Coalescence of strange-quark planets with strange stars: a new kind of source for gravitational wave bursts

10. Huang  Y.F., Yu Y.B., 2017, ApJ, 848, 115: Searching for strange quark matter objects in exoplanets

11. Zhang Y., Geng J.J., Huang Y.F., 2018, ApJ,858, 88: Fast radio bursts from the collapse of strange star crusts

12. Kuerban  A.,Geng  J.-J., Huang Y.-F., Zong H.-S., Gong H., 2020, ApJ, 890, 41: Close-in exoplanets as candidates of strange quark matter objects

13. Zhao T., Zheng W., Wang F., Li C.-M.,Yan Y., Huang Y.-F., Zong H.-S.,2019, Phys. Rev. D,100, 043018: Does the current astronomical observation exclude the existence of non-strange quarkstars