双中子星并合的遗留物：I千新星遗迹
作者: 刘屿
引力波事件GW150914和GW170817先后开启了引力波天文学和多信使天文学的新纪元[1]。GW170817的发现不仅证实了至少一部分短伽玛射线暴起源于双中子星并合，还证实了千新星的存在。千新星是双致密星（即双中子星，中子星与黑洞）并合时发生的剧烈爆炸现象，属于暂现源。按照现有的理论，双致密星在并合的过程中会将一部分物质抛射到星际介质中去，其动能大约为1050尔格。这些抛射物在向外膨胀的过程中会与星际介质相互作用形成延展型天体——千新星遗迹[2]（千新星爆发在星际空间中留下的残骸）。
图 1：双中子星并合过程示意图。图片来源：Lee et al. 2020[3]
银河系内千新星的爆发率为1-100 Myr-1。假设千新星遗迹的寿命为106 yr，我们预期银河系内至少存在一个或多个千新星遗迹，然而目前还没有一例被观测所证实。千新星遗迹作为一种新的天体源，其观测特性尚不清楚，这使得寻找千新星遗迹成为一个棘手的问题。Wu et al. 2019[4]提出可以用 126Sn→ 126Sb→ 126Te 等 r过程元素的放射性衰变与裂变产生的 X 射线或伽马射线线光谱来寻找并证认千新星遗迹。但想要探测到这些元素的线光谱还需等待未来的伽马射线望远镜。
图 2：r 过程元素的放射性衰变与裂变的示例。237Np可以不断通过α衰变和β衰变最终生成 213Bi，其半衰期分别在秒、分钟、天和千年的量级。图片来源：Korobkin et al. 2020[5]
虽然我们对千新星遗迹知之甚少，但是我们对千新星爆发已经有了充分地认识。以GW170817为例，若其在银河系中爆发，距离地球 10 kpc，则肉眼可见，最亮时视星等可达−1等，数天后迅速降低至肉眼极限星等6等，颜色由蓝变红。因此，一种简单可行的搜寻策略是：在古代天文书籍中寻找具有千新星特征的客星记载，然后根据客星所在天区寻找与之成协的千新星遗迹（成协意味着同一物理起源）。通过对比古新星新表和超新星遗迹星表，Liu et al. 2019[2]找到了一对可能的源：客星AD1163和G4.8+6.2。
图 3：超新星遗迹和客星在银道坐标系下的空间分布图。在空间上成协的源有三对，分别是：G327.6+14.6（AD1006），G184.6−5.8（AD1054）和 G4.8+6.2（AD1163）。子图阴影区域为公元1163年8月10日那晚月亮运行的轨迹，即客星AD1163所在区域。开普勒（Kepler）超新星遗迹和 G4.8+6.2 位于阴影区域内，土星（Saturn）在阴影区域旁。图片来源：Liu et al. 2019[2]
客星AD1163是以一种非常奇特的方式被古朝鲜天文学家记载下来，即“公元1163年8月10日，月亮遮挡了一颗客星。” 虽然简短，但依然能够从中推断出客星的位置、亮度和持续时间。能在月亮旁边被看到，意味着客星要亮于2星等；刚好在月亮遮挡的那天才记载，意味着客星的持续时间只有几天。这与千新星的理论预期相符。因此，Liu et al. 2019[2]认为客星AD1163是千新星爆发，与之成协的G4.8+6.2是千新星遗迹。值得注意的是，《宋史·天文志》在同一天有关于月犯五纬的记载：
“隆兴元年三月丙申、四月丙子、七月戊戌，皆犯填星。” 出自《宋史·天文志》
卷五十三志第六：月犯五纬
其中七月庚子（干支编号为37）对应着8月12日，七月戊戌（干支编号为35）对应着8月10日，见图 4。但让人疑惑的是在中国却没有相应的客星记载。什么样的人为因素或天气因素导致了这种疏漏目前仍然是一个迷。
图 4：宋孝宗隆兴元年的中西历转化表。图片截取自《中国史历日和中西历日对照表》[6]
G4.8+6.2（RA=17:33:24, Dec=-21:34, J2000.0）在射电波段呈现明显的壳层结构，大小为17×18 arcmin2。遗迹的表面亮度很低，在327 MHz波段的射电流量密度只有5.5±1.2 Jy，且射电谱指数α=−0.57±0.13。G4.8+6.2的射电辐射是高度线偏振的，且偏振度图与总强度图在形态上保持一致，表明偏振来源于遗迹本身的同步辐射。Zhang et al. 2013[7]认为G4.8+6.2是一颗近邻的、处在低密度环境里的遗迹，而且内部存在非常有序的磁场。因此，G4.8+6.2的圆桶状结构很可能是由千新星爆发时沿赤道方向的动力学抛射物与周围稀薄且均匀的星际介质相互作用而形成的。
图 5：G4.8+6.2的总强度、偏振度和偏振角图。图片来源：Zhang et al. 2013[7]
G4.8+6.2 有很强的高能伽马光子和甚高能伽马光子辐射。目前还不清楚这些高能光子的辐射机制是什么。若来自轻子过程，则需要遗迹内存在极端相对论性的电子，这意味着遗迹还很年轻，电子还未得到有效冷却；若来自强子过程，则需要遗迹内存在极端相对论性的质子，这意味着千新星遗迹可以有效加速质子，可作为宇宙线起源之一。
图 6：G4.8+6.2 的高能伽马光子（Fermi-LAT）和甚高能伽马光子（H.E.S.S.）。图片来源：Aharonian et al. 2022[8]
G4.8+6.2目前是银河系内唯一一个千新星遗迹候选体。对它的研究有助于我们理解双中子星系统所处的环境、双中子星并合的事件率、千新星的抛射物、核子物理的快中子捕获过程、生命起源、中子星的状态方程和宇宙射线的起源等。
参考文献
[1] B. P. Abbott, et al. Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger. ApJ, 2017, 848(2):L12
[2] Y. Liu, Y.-C. Zou, B. Jiang, H. Gao, S.-B. Ma, B. Liao. G4.8+6.2, a possible kilonova remnant? MNRAS, 2019, 490(1):L21–L25
[3] K. H. Lee, I. Bartos, G. C. Privon, J. C. Rose, P. Torrey. FIRST J1419+3940 as the First Observed Radio Flare from a Neutron Star Merger. ApJ, 2020, 902(1):L23
[4] M.-R. Wu, P. Banerjee, B. D. Metzger, G. Martínez-Pinedo, T. Aramaki, E. Burns, et al. Finding the Remnants of the Milky Way’s Last Neutron Star Mergers. ApJ, 2019, 880(1):23
[5] O. Korobkin, A. M. Hungerford, C. L. Fryer, M. R. Mumpower, G. W. Misch, T. M. Sprouse, et al. Gamma Rays from Kilonova: A Potential Probe of r-process Nucleosynthesis. ApJ, 2020, 889(2):168
[6] 方诗铭, 方小芬. 中国史历日和中西历日对照表. 上海辞书出版社, 2007.
[7] X.-Z. Zhang, R. G. Strom, W. Reich. Unusual Polarization Properties of Supernova Remnant G4.8+6.2 at 1400 MHz. Chinese Physics Letters, 2003, 20(6):969–971
[8] F. Aharonian, et al. Evidence for γ-ray emission from the remnant of Kepler’s supernova based on deep H.E.S.S. observations. Astron. Astrophys., 2022, 662:A65
作者简介：刘屿，华中科技大学天文系博士研究生。
编校：邹远川
文章编号：华中大天文230308A
