磁星誕生觀測將改變天體物理學研究格局

首次直接證據：磁星驅動超亮超新星

天文學家首次觀測到磁星的誕生，這是一種磁場極強、旋轉極快的 neutron star 類型。這一突破性發現證實了這些奇異天體可以驅動宇宙中一些最明亮的恒星爆炸。這一發現還驗證了十六年前由加州大學伯克利分校物理學家首次提出的理論，并揭示了某些爆炸恒星的一個新特征：其光線中只有通過愛因斯坦廣義相對論才能解釋的獨特啁啾信號。該研究發表在《自然》期刊上。

超亮超新星的謎團

超亮超新星是宇宙中最壯觀的爆炸之一，亮度比普通超新星高十倍以上。自天文學家在二十一世紀初首次識別它們以來，一直難以解釋為何這些爆炸在巨大恒星鐵核心坍縮并將外層拋入太空后仍保持長時間極亮。二零一零年，加州大學伯克利分校理論天體物理學家丹卡森提出答案可能是新生的磁星。他的理論認為，當一顆巨大的恒星走到生命終點時，其核心可能坍縮為極其致密的中子星而非黑洞。

如果原始恒星擁有強大的磁場，坍縮會將其急劇放大，產生磁場比典型脈沖星強一百至一千倍的磁星。雖然脈沖星和磁星直徑僅約十六公里，但年輕磁星每秒可旋轉超過一千次。旋轉時，其強大磁場加速帶電粒子撞擊超新星膨脹碎片，注入額外能量使爆炸保持更長時間的亮度。磁星也被認為會產生神秘的快速射電暴。

啁啾超新星揭示真相

加州大學圣巴巴拉分校和拉斯昆布雷斯天文臺的博士生約瑟夫法拉在研究了二零二四年發現的超新星SN 2024afav后找到了該理論的最有力證據。法拉及其同事得出結論，超新星光曲線中的異常隆起提供了磁星在爆炸中形成的直接證據。

在超新星達到峰值亮度約五十天后，其亮度并未平滑衰減，而是反復升降。這些波動間隔逐漸縮短，在光曲線中形成了四個明顯的隆起。法拉將這種模式比作鳥鳴上升的音調。此前超亮超新星偶爾顯示一兩個隆起，但從未有過四個。法拉的模型表明，爆炸拋射的一些物質后來回落至新生磁星，形成了吸積盤。由于該吸積盤相對于磁星旋轉軸可能傾斜，愛因斯坦理論預測快速旋轉的中子星會拖拽周圍的時空結構，產生稱為Lense-Thirring進動的效應。

廣義相對論首次解釋超新星力學

這種效應使傾斜吸積盤擺動。隨著擺動吸積盤周期性地遮擋和反射磁星的光，系統表現得像閃爍的宇宙燈塔。隨時間推移，吸積盤向內螺旋運動使擺動加速，使光脈沖來得更快，產生了天文學家檢測到的獨特啁啾信號。法拉表示：我們測試了多種想法，包括純牛頓效應和磁星磁場驅動的進動，但只有Lense-Thirring進動完美匹配時間模式。這是首次需要廣義相對論來描述超新星的力學。

團隊還估算出該中子星每四點二毫秒旋轉一次，磁場強度約為地球的三百萬億倍，這兩個都是磁星的特征。加州大學伯克利分校天文學杰出教授亞歷克斯菲利彭科表示：看到愛因斯坦廣義相對論的清晰效應總是令人興奮的，但在超新星中首次看到尤其令人欣慰。這可能是宇宙正在大聲告訴我們，我們還沒有完全理解它，并挑戰我們去解釋它。