双中子星并合的遗留物：II中心致密天体
作者: 刘屿
中子星一直以来被认为是超新星爆发的产物（坍缩起源），蟹状星云（Crab）和船帆座星云（Vela）里的脉冲星是最直接的证据。然而最新的理论研究和观察发现，双中子星并合也可作为中子星的一种新的诞生渠道，或者说重获新生（并合起源）。目前最主要的证据来源于短伽玛射线暴的X射线余晖观测。
双中子星的并合产物有四种可能的演化途径，主要取决于并合后中心天体的引力质量Mg, tot 和中子星的状态方程。值得注意的是，在计算Mg, tot 时需要区分引力质量（gravitational mass，记作Mg）和重子质量（baryonic mass，记作Mb），两者相差引力结合能。它们之间的转化关系可简单地表述为：
Mb=Mg+AMg2
其中A为常数，具体值与中子星的自转速度和状态方程有关。双中子星并合前后满足重子数守恒[1]：
Mb,tot=Mb,1+Mb,2-Mej
其中Mb,1和Mb,2为并合前两颗中子星的重子质量，Mb,tot为并合后中心天体的重子质量，Mej为并合抛射物的重子质量。
图 1：双中子星并合产物的演化途径示意图，其中A表示双中子星绕转，B表示双中子星并合，C表示活跃的黑洞，D表示较差转动的中子星，E和G表示宁静的黑洞，F表示刚性转动的中子星，H表示稳定存在的中子星。图片来源：Sarin et al. 2021[2]
·稳定存在的中子星（A→B→D→F→H）：静态的中子星主要靠中子简并压来抵抗引力，因此存在一个 质量上限MTOV。如果并合后中心天体的总质量较小Mg, tot ≤MTOV，将形成一颗稳定存在的中子星。
·超大质量中子星（A→B→D→F→G）：对于刚性转动的中子星，自转产生的离心力可以帮助其抵抗部分引力。如果并合后中心天体的总质量处在MTOV<Mg, tot ≲1.2MTOV，将形成一颗长期存在的超大质量中子星。随着中子星的自转减慢或冷却，这些额外的支持力逐渐消失，中子星最终将无法维持其自身质量坍缩成黑洞。
·绝超质量中子星（A→B→D→E）：对于较差转动的中子星，由于壳层做准开普勒运动，可以支撑起更大质量的中子星。但存在一个质量极限χMTOV，超过这一极限，中子星将不可避免地坍缩成黑洞。如果并合后中心天体的总质量处在1.2MTOV≲Mg, tot ≲χMTOV之间，将形成一颗短暂存活的绝超质量中子星，在动力学时标内坍缩成黑洞。
·瞬间坍缩成黑洞（A→B→C）：如果并合后中心天体的总质量超过了中子星的质量极限Mg, tot ≳χMTOV，将瞬间坍缩成黑洞。此后，孤立的黑洞很难再被我们观测到。
对于稳定存在的中子星，我们有望通过射电脉冲辐射或连续引力波辐射发现它。
G4.8+6.2目前是银河系中唯一一个千新星遗迹候选体[3]，我们想知道G4.8+6.2的中心是否蕴藏着一颗年轻的、孤立的、大质量的中子星。目前，G4.8+6.2的中心致密天体对电磁波不可见，我们暂时只能寄希望于连续引力波探测。
图 2：中子星的非轴对称形变，可能来源于中子星表面的“小山”或磁致形变。图片来源：Sieniawska et al. 2019[4]
快速旋转的中子星相对于其旋转轴不对称时，将辐射连续引力波，引力波波形可用准单色正弦波来描述。中子星的非轴对称形变可能由中子星的星震过程或吸积过程在表面形成“小山”，也可能由中子星内部强大的环形磁场导致的磁致形变。通常用赤道椭率ϵ来量化中子星的非轴对称形变：
ϵ≡Ixx-IyyIzz
其中Ijj为中子星的三个主转动惯量。值得注意的是，自转离心力作用下产生的离心形变是轴对称的，即ϵ=0。我们可以根据G4.8+6.2的年龄和距离来估算基于特征年龄的连续引力波振幅上限（the age-based limit）：
h0age≈3.02×10-258.1kpcD860yrτ1/2Izz1045gcm21/2
根据目前LIGO的探测灵敏度，我们有机会探测到来自G4.8+6.2的连续引力波信号。Liu et al. 2019[5]采用两天的 LIGO 数据对G4.8+6.2的中心进行了连续引力波定向搜索，搜索的频率范围为20−1500 Hz。遗憾的是，没能找到任何疑似信号。因此，只能给出连续引力波振幅的上限。
图 3：95%置信度的连续引力波振幅上限h095%。其中蓝色和橙色为Liu et al. 2019[5]搜索的结果，灰色为 Dergachev et al. 2022[6]搜索的结果，其它颜色为Abbott et al. 2022[7]全天平均的结果。水平红线为基于特征年龄的引力波振幅上限h0age。
随着地面引力波探测器的升级、搜索算法的提升和观测时间的增加，我们将有机会知道G4.8+6.2的中心是否藏着一颗“引力波脉冲星”（GW pulsar）。对这一信号的探测将有助于验证中子星、千新星遗迹G4.8+6.2和客星AD1163之间的成协关系。若成协关系成立，它将是前所未有的天体源，堪比蟹状星云!
参考文献
[1] H. Gao, S.-K. Ai, Z.-J. Cao, B. Zhang, Z.-Y. Zhu, A. Li, et al. Rela- tion between gravitational mass and baryonic mass for non-rotating and rapidly rotating neutron stars. Frontiers of Physics, 2020, 15(2):24603
[2] N. Sarin, P. D. Lasky. The evolution of binary neutron star post-merger remnants: a review. General Relativity and Gravitation, 2021, 53(6):59
[3] 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
[4] M. Sieniawska, M. Bejger. Continuous Gravitational Waves from Neutron Stars: Current Status and Prospects. Universe, 2019, 5(11):217
[5] Y. Liu, Y.-C. Zou. Directed search for continuous gravitational waves from the possible kilonova remnant G4.8+6.2. Phys. Rev. D, 2022, 106: 123024
[6] V. Dergachev, M. Alessandra Papa. A frequency resolved atlas of the sky in continuous gravitational waves. arXiv:2202.10598
[7] R. Abbott, et al. All-sky search for continuous gravitational waves from isolated neutron stars using Advanced LIGO and Advanced Virgo O3 data. Phys. Rev. D, 2022, 106(10):102008
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230308B
