04 与众不同的一例长伽马射线暴
GRB 211211A的艺术图。图源: Anyu Lei and Jing Chen, Nanjing University School of Arts
最近，一例独特的伽马射线暴(GRB)的发现，挑战了GRB形成的流行理论。天文学家基于这例“古怪”的爆发为GRB提出了一种新的模型和形成来源。与这例GRB相关的三篇学术论文发表于2022年12月7日的《自然》杂志，其中一篇关于GRB新模型的论文由南京大学的天文学家领衔完成。
GRB是已知存在于宇宙中的最明亮、最猛烈的电磁爆发，其释放的能量一般与太阳在整个100亿年生命周期内产生的总能量相当。目前观测到的GRB通常被分为两类。一种为短GRB，爆发持续时间不超过两秒，被认为起源于两颗中子星、或一颗中子星与一个黑洞的碰撞，并与暗弱的光学暂现源千新星相关联。另一种为长GRB，爆发可以持续长达几分钟，被认为起源于大质量恒星的死亡，与超新星爆发相关联。几十年来，观测到的GRB都很好地被归入这两个类别。然而现在，情况发生了变化。
2021年12月11日，被命名为GRB 211211A的GRB触发了多个太空伽马射线探测器，监测后得到它的爆发时长约为70秒。这种分钟量级的爆发通常被归类为长GRB，研究人员起初并未怀疑其有任何异常。之后，研究人员使用一系列望远镜在多个波段对其进行了后续观测，并发现了奇特之处。研究人员在近红外图像中发现了一个暗弱的天体并迅速变暗消失。由于超新星通常会经历变亮的过程，并且变暗的不会如此迅速，天文学家意识到这其中可能有所不同。此外，相比更红的波段，观测到的天体在更蓝的波段光度衰减的更快，这是千新星的特征，而千新星的唯一来源是中子星并合。这就是说GRB 211211A这个长GRB可能是由中子星并合所引发的，与通常长GRB的来源完全不同，而更类似于短GRB的来源。
基于观测数据，南京大学的天文学家提出了新模型来解释这次事件的起源。研究人员认为，GRB 211211A可能是通过中子星和白矮星之间的碰撞而形成的，即所谓的WD-NS并合。白矮星是地球大小的天体，由质量小于8倍太阳质量的小质量恒星死亡后形成。白矮星具有中等密度，这使它们成为GRB 211211A的理想起源，因为GRB 211211A显示出的中等长度的持续时间不涉及大质量恒星。研究人员建模发现如果WD-NS并合留下一颗快速旋转的中子星，即磁星，那么来自磁星的额外能量注入与GRB爆发期间抛出物质的核反应能量相结合，可以解释观测到的千新星的辐射。
GRB 211211A这种奇特的GRB是有史以来发现的第一例。宇宙的奥秘仍然持续令天文学家惊叹，每一次新的观测都有机会加深或颠覆我们对宇宙的理解。
05 巧克力果仁糖般的中子
不同质量的中子星的艺术图。图源: Peter Kiefer 和 Luciano Rezzolla
中子星是宇宙中密度最大的天体之一。自从60多年前被发现以来，中子星的内部结构对物理学家和天文学家来说仍然是个谜。最新的一项理论分析工作，可能会使破解谜题的工作更进一步。
当质量为10-25倍太阳质量的超巨星在燃料燃烧殆尽时，其核心区域1-3倍太阳质量的物质会在引力作用下坍缩，电子和质子会被推向彼此形成中子，最终形成形成中子星。中子星的大小一般与一个普通大城市相当。可想而知，1-3倍的太阳质量被压缩到一个直径与大城市相当的球体中，其致密程度会超乎想象。实际上，一茶匙中子星物质的质量就能达到约1012千克的量级。
由于距离地球至少数光年，从观测上直接研究中子星的内部结构是很困难的，并且中子星内部的极端致密条件目前也无法在地球上的实验室中重现，这都为研究中子星的内部结构带来重重挑战。目前，科学家还是主要利用各种模型来模拟中子星。建模中会使用“状态方程”来描述中子星的各种性质，比如温度、密度等，从而构建中子星从表面到内核的结构。最近，德国法兰克福大学的物理学家们在2022年11月10日的《天体物理学杂志快报》上发表的研究结果，为中子星的状态方程和其内部结构添加了更多重要且关键的信息。
研究团队为中子星开发了超过一百万个不同的状态方程。这些方程一方面满足理论核物理数据所设置的限制，另一方面也满足天文观测数据的约束。研究人员通过分析声波在中子星模型中的传播速度来获得中子星内部结构的信息。声波在物质中的传播速度可以告诉科学家该物质的硬度或软度。在地球上，声波被用来探索我们星球的内部，包括寻找石油矿藏。结果揭示了一些令人惊讶的发现：“轻”中子星（质量小于1.7个太阳质量）具有柔软的地幔和坚硬的内核，而“重”中子星（质量大于1.7个太阳质量）则相反，具有一个坚硬的地幔和一个柔软的内核。形象一些比喻，这有点像巧克力果仁糖：轻中子星就像中间有一颗榛子，周围是软巧克力；而重中子星可以被认为更像那些硬壳包含软馅的巧克力。此外，研究人员发现无论质量如何，中子星的直径可能都保持在24千米左右，大致相当于青岛这座城市的大小。
该研究进行的广泛的数值模拟，不仅使中子星的半径和最大质量可以被预测，而且还能对中子星在双星系统中的形变度给予新的限制，也就是探索中子星在引力场的作用下扭曲的强度。这些对于未来的天文观测限制状态方程，以及对于探测恒星并合引发的引力波都非常重要。
06 解密参宿四“大暗淡”
欧南台的甚大望远镜对参宿四的观测图像。最左边的图像拍摄于2019年1月，显示了恒星的正常亮度，而其余的三张图像都是在参宿四亮度明显下降时拍摄的，尤其是在其南部区域。参宿四亮度在2020年4月恢复正常。
对天文热点事件保持关注的读者们都有印象，在2019年底，参宿四（猎户座α）变暗了约60%，天文学家一直在试图解释这次变暗的事件。最近，一项的研究对此找到了新的线索。
参宿四是一颗红超巨星，是天空中第十亮的恒星，处于猎户座的肩膀位置，非常容易辨认。如果把参宿四放在我们的太阳系中，它会吞没内太阳系所有的岩石行星，并延伸到火星和木星之间的小行星带。像参宿四这样的红超巨星也非常明亮，尽管它们的温度相对较低，但凭借其巨大的表面积，它们仍然可以发出大量的光。
令天文学家感到非常惊讶的是，2019年底参宿四无缘无故地变暗了。变暗的过程持续了整个2020年初。最暗时，参宿四的绝对亮度只有平时的约60%。到了2020年2月，参宿四停止了变暗，并再次开始变亮，现在它的亮度已经恢复到了正常水平。天文学家拥有之前半个世纪的关于参宿四的记录。在这些记录中，并没有和2019年变暗相类似的事件。因此，无论是什么导致了现在被称为参宿四“大暗淡”的现象，都一定是非同寻常的。
无论是什么导致的变暗，这一定是来自参宿四本身以外的情况，而不是由于参宿四内部活动的变化。这是因为聚变反应的变化不会在短短几个月内停止和开始，其变化的时间尺度远远长于几个月。天文学家提出了许多可能性，其中一种可能性是参宿四外层大气的形状发生了变化，导致其亮度发生了变化。当一颗恒星快速旋转时，天文学家可以看到其大气形状的改变导致的亮度变化。这是因为旋转会使恒星的形状在赤道区域更凸出。这使得赤道区域的大气离核心更远，即离能量来源更远，从而温度下降，进而亮度变暗。
然而，参宿四的自转速度不够快，因此这不会是其变暗的根源。天文学家发现自转以外的其他因素也会导致恒星的赤道区域凸起。如果有一个随机的、隐藏的访客，比如一个小黑洞，运动到离参宿四足够近，它可能会在其表面引发潮汐。有了潮汐隆起，参宿四的赤道区域就会变暗，它的整体亮度也就会变暗。一旦访客离开，参宿四大气的所有部分会回到正确的位置，恢复到正常的亮度。来自美国鲍登学院的天文学家对这种假设进行了研究。他们模拟了一些不同质量和速度的隐藏访客，发现这种情况不能完全解释参宿四60%的变暗。但是，研究人员认为访客的通过可能会造成其他影响，比如参宿四某些区域的强烈爆发，大量喷出的物质可能会短暂地遮挡住我们对参宿四的观测。结合由潮汐引起的变暗，总的影响可以解释参宿四的大暗淡。该研究结果发表于2022年11月的《皇家天文学会月刊》。
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