美国西北大学（Northwestern University）的研究人员进行的模拟显示，以前被认为是大质量恒星坍缩时才会出现的长伽马射线暴，也会在中子星合并时出现。这一发现加深了人们对黑洞物理学的理解，并对现有的天体物理学理论提出了挑战。

黑洞与中子星合并的首次大规模数值模拟与令人费解的观测结果相吻合。

2022年，美国西北大学的科学家们提出了新的观测数据，表明长伽马射线暴（GRBs）可能源于中子星与另一颗致密天体（如另一颗中子星或黑洞）的碰撞--这一发现以前被认为是不可能的。

现在，美国西北大学的另一个研究小组为产生这种史无前例、令人难以置信的光爆提供了一种可能的解释。

天体物理学家们首次进行了数值模拟，跟踪了黑洞与中子星合并后的喷流演变过程，发现合并后的黑洞可以从被吞噬的中子星中喷射出物质。

但关键因素在于黑洞周围剧烈的气体漩涡（或吸积盘）的质量以及吸积盘磁场的强度。在大质量磁盘中，当磁场强度较大时，黑洞会喷射出持续时间很短的喷流，其亮度远远超过观测所见。然而，当大质量磁盘的磁场较弱时，黑洞就会喷射出与2021年发现、2022年报道的神秘GRB（被称为GRB211211A）具有相同亮度和持续时间的射流。

这一新发现不仅有助于解释长GRB的起源，还让人们深入了解了黑洞、黑洞磁场和吸积盘的性质和物理学原理。

黑洞-中子星合并喷流大尺度演化的完整模拟。资料来源：Ore Gottlieb/美国西北大学

这项研究最近发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上。

西北大学的奥雷-戈特利布（Ore Gottlieb）是这项研究的共同负责人，他说："迄今为止，还没有人开发出任何数值工作或模拟，能够持续跟踪从紧凑天体合并到喷流形成及其大规模演化的过程。我们工作的动机就是要首次做到这一点。而我们的发现恰好与GRB211211A的观测结果相吻合"。

西北大学的达纳特-伊萨（Danat Issa）说："中子星合并是一种迷人的多信使现象，会产生引力波和电磁波。然而，由于涉及巨大的空间和时间尺度分离，以及在这些尺度上运行的各种物理学，模拟这些事件是一项挑战。我们首次成功地对中子星合并过程的整个序列进行了全面建模"。

研究期间，戈特利布是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的CIERA研究员；现在他是Flatiron研究所计算天体物理学中心的Flatiron研究员。伊萨是西北大学温伯格文理学院物理与天文系的研究生，也是 CIERA 的成员。论文合著者亚历山大-切霍夫斯科伊（Alexander Tchekhovskoy）为伊萨提供指导，他是温伯格物理与天文学副教授，也是 CIERA 成员。

奇异的千新星

当天文学家在 2021 年 12 月首次发现 GRB211211A 时，他们最初认为这个长达 50 秒的事件是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。但是，当他们检查长GRB的晚期发射（称为余辉）时，发现了千新星的证据，这是一种罕见的事件，只有在中子星与另一个紧凑天体合并后才会发生。

这一发现（发表于 2022 年 12 月的《自然》杂志）颠覆了人们长期以来一直认为只有超新星才能产生长 GRB 的观点。

戈特利布说："GRB 211211A重新激起了人们对长持续时间GRB起源的兴趣，这种GRB与大质量恒星无关，很可能源自紧凑的双星合并。"

GRB 211211A 的位置（红圈处），使用哈勃 3 号宽视场相机上的三种滤光片拍摄。图片来源：NASA、ESA、Rastinejad 等人 (2022)

从合并前到长GRB

为了进一步揭示紧凑合并事件的过程，戈特利布、伊萨和他们的合作者试图模拟整个过程，从合并前一直到GRB事件结束，即产生GRB的喷流关闭。由于这是一项计算成本高得惊人的创举，整个过程以前从未被模拟过。戈特利布和伊萨克服了这一难题，他们将这一情景分为两个模拟。

首先，研究人员运行了合并前阶段的模拟。然后，他们将第一次模拟的输出结果输入到合并后的模拟中。

"由于两个模拟所使用的时空不同，这种重映射并不像我们希望的那样简单，但达纳特想出了办法，"特切霍夫斯科伊说。

戈特利布说："两个模拟的菊花链使我们的计算成本大大降低。合并前阶段的物理学非常复杂，因为有两个物体。预合并之后就简单多了，因为只有一个黑洞。"

在模拟中，紧凑的天体首先合并成一个质量更大的黑洞。黑洞的强大引力将现已毁灭的中子星碎片拉向它。在碎片落入黑洞之前，一些碎片首先以吸积盘的形式围绕黑洞旋转。在所研究的构型中，新出现的圆盘质量特别大，只有太阳质量的十分之一。然后，当质量从吸积盘落入黑洞时，黑洞就会发动喷流，加速到接近光速。

盘的特性很重要

当研究人员调整大质量磁盘的磁场强度时，一个惊喜出现了。强磁场产生的GRB时间短、亮度惊人，而弱磁场产生的喷流与观测到的长GRB相吻合。

"磁场越强，其寿命就越短，"戈特利布说。"弱磁场产生的喷流较弱，新形成的黑洞可以维持更长的时间。这里的一个关键因素是大质量磁盘，它可以与弱磁场一起维持与观测结果一致的 GRB，并且与 GRB211211A 的光度和长持续时间相当。虽然我们发现这个特定的双星系统产生了长持续时间的 GRB，但我们也预计其他产生大质量磁盘的双星合并也会导致类似的结果。这只是一个合并后磁盘质量的问题。"

当然，在这种情况下，"长"是相对的。GRB分为两类。持续时间小于两秒的GRB被认为是短的。如果GRB持续时间为两秒或更长，则被认为是长GRB。即使是如此短暂的事件，仍然异常难以建模。

伊萨说："大部分磁盘物质最终会被黑洞吞噬，整个过程只持续几秒钟。主要的挑战就在这里：利用超级计算机进行模拟，很难捕捉到这些合并在几秒钟内的演变过程。"

下一个 中微子

现在，戈特利布和伊萨已经成功地全面模拟了合并的全过程，他们很高兴能继续更新和改进他们的模型。

伊萨说："我目前的努力方向是提高模拟的物理准确性。这涉及到中微子冷却的加入，这是一个重要的组成部分，有可能对合并过程的动力学产生重大影响。此外，中微子的加入也是更准确地评估因这些合并而喷射出的物质的核成分的关键一步。通过这种方法，我的目标是为中子星合并提供一个更全面、更准确的图景"。

编译来源：ScitechDaily