研究：AT2018cow可能是一颗垂死恒星诞生的黑洞或中子星

这个信号在程序上被标记为AT2018cow，此后被简单地称为“牛(the Cow)”，天文学家将其归类为快速蓝色光学瞬变(FBOT)--一个明亮、短暂的事件，其来源不明。

现在，一个由MIT领导的团队已经为该信号的来源找到了强有力的证据。除了明亮的光学闪光之外，科学家们还探测到一个类似于频闪的高能X射线脉冲。他们追踪了数以亿计的此类X射线脉冲并发现这些脉冲像时钟一样--每4.4毫秒发生一次，时间跨度为60天。

根据这些脉冲的频率，研究小组计算出这些X射线一定来自一个宽度不超过1000公里的天体，其质量小于800个太阳。按照天体物理学的标准，这样一个物体将被认为是紧凑的--很像一个小黑洞或中子星。

他们的研究结果于2021年12月13日发表在《Nature Astronomy》上，其强烈表明AT2018cow很可能是一颗垂死的恒星的产物，它在坍缩的过程中诞生了一个黑洞或中子星形式的紧凑天体。这个新生的天体继续吞噬周围的物质并从内部吞噬恒星--这个过程释放出巨大的能量爆发。

“我们很可能发现了超新星中一个紧凑天体的诞生。这发生在正常的超新星中，但我们以前没有看到过，因为这是一个非常混乱的过程。我们认为这个新证据为寻找小黑洞或小中子星提供了可能性，”论文的第一作者Dheeraj"DJ"Pasham说道。据悉，他是MIT Kavli天体物理学和空间研究所的研究科学家。

“牛”的核心

AT2018cow是2018年发现的众多“天文瞬变体”中的一个。而“牛”这个名字是天文命名过程中的一个随机巧合。这个信号是已知的几十个FBOT中的一个，并且它是仅有的几个被实时观测到的此类信号之一。它强大的闪光--为典型的超新星亮度的亮100倍--被夏威夷的一项调查发现，该调查立即向全世界的天文台发出警报。

Pasham表示：“这很令人兴奋，因为大量的数据开始堆积起来。能量的数量比典型的核心塌陷超新星要多几个数量级。而问题是，什么可以产生这种额外的能量来源？”

对此，天文学家们提出了各种方案来解释这个超亮的信号。如它可能是一个超新星中诞生的黑洞的产物，或它可能是一个中等重量的黑洞从一颗经过的恒星上剥离物质而产生的。然而由光学望远镜收集的数据还没有以任何明确的方式解决信号的来源。Pasham想知道是否可以在X射线数据中找到答案。

“这个信号很近，并且在X射线中也很亮，这就是引起我注意的原因，”Pasham说道，“对我来说，首先想到的是，一些真正有能量的现象正在发生以产生X射线。因此，我想测试一下这个想法，即在牛的核心有一个黑洞或紧凑的天体。”

寻找脉冲

研究小组查看了NASA的中子星内部成分探测器(NICER)收集的X射线数据，这是国际空间站上的一个X射线监测望远镜。NICER在光学望远镜首次探测到“牛”之后约5天开始观测并在接下来的60天里监测该信号。这些数据被记录在一个公开的档案中，Pasham和他的同事下载并分析了这些数据。

该小组通过数据来识别AT2018cow附近发出的X射线信号并确认这些发射不是来自其他来源，比如仪器噪音或宇宙背景现象。他们发现“牛”似乎正在以225赫兹的频率发出脉冲或每4.4毫秒一次。

Pashma抓住了这个脉冲，认识到它的频率可以用来直接计算出任何脉冲的大小。在这种情况下，脉冲物体的大小不可能大于光速在4.4毫秒内能覆盖的距离。根据这一推理，他计算出该天体的大小必须不超过1.3×10⁸厘米，或约1000公里宽。

“唯一可能这么小的是一个紧凑的天体--要么是中子星，要么是黑洞，”Pasham说道。

研究小组通过进一步计算得出，AT2018cow发射的能量一定不超过800太阳质量。“这就排除了信号来自一个中间黑洞的想法，”Pasham表示。

除了确定这个特定信号的来源之外，Pasham称这项研究表明还对FBOT和其他超亮现象的X射线分析可以成为研究婴儿黑洞的一个新工具。

“每当有一个新的现象出现时，人们都会感到兴奋，因为它可以说明宇宙的一些新情况。对于FBOT，我们已经表明我们可以详细地研究它们的脉动，这在光学中是不可能的。因此这是了解这些新生紧凑物体的一种新方法，”Pasham说道。