奇怪的一对儿？还是亲密的挚友？
著：
Govert Schilling
译：
Shea
编者按：当理论家试图把它们至于理性解释的大伞之下时，宇宙中罕见的SGR和AXP却似乎暗示着它们之间的不同。
对于高能天体物理学家来说，宁静美丽的夜空是世界上最美丽的假象。“那儿其实是一个野生动物园，”NASA马休空间飞行中心（Marshall Space Flight Center）的克利萨·克微利奥多（Chryssa Kouveliotou）说。她和她的同事正在研究宇宙中最具有野性、最让人难以捉摸的生物。这就是我们所知的软γ射线再现源（soft gamma repeaters）和反常X射线脉冲星（anomalous x-ray pulsars）——缩写为SGR和AXP——这两种天体用它们之间惊人的相似之处已嘲弄了天文学家达十几年之久，这些相似之处可能是也可能不是它们家族的特征。为了简单，天体物理学家乐于把它们认为是同一理论下的两个特例，或者是同一事物的两个不同的阶段。但是，目前试图在它们之间建立演化联系的努力遇到了由这两个神秘的天体之间的相异性所带来的困难。而且，近期的证据预示它们之间可能根本不存在联系。
SGR和AXP的相像之处是明朗的：两种天体都十分罕见；天文学家已知的SGR仅有4个，AXP仅有6个。它们都是孤立的，似乎与年轻的超新星遗迹有联系。从它们发射的X射线的变化，天文学家知道它们都存在着5至12秒的自转，并且都正在明显的减速。
SGR和AXP的主要不同之处是，SGR具有更“硬”的光谱（含有更多的高能辐射），而且不像AXP，它们瞬间爆发。但是那些差别可能不是光谱的硬或是爆发的快。克微利奥多说，第一个被识别出的SGR——大麦哲伦星云中的SGR 0526-66——如果在今天被发现也许会被分类定性成AXP。1983年以来，没有人探测到0526-66的爆发，而且由加州理工大学的希瑞尼万斯·库加尼（Shrinivas Kulkarni）领导的小组通过使用NASA的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）观测发现，0526-66的光谱已变得非常的“软”。
“SGR和AXP的相似之处争辩说它们是同一类型的野兽，”德克萨斯大学的理论天体物理学家罗伯特·邓肯（Robert Duncan）说。同时，每个人都同意，这两种野兽的心脏都是中子星——超新星爆发后留下的高速旋转并且具有超高密度的天体。然而，除了这一点点共识之外，天文学家对它们则各持己见。焦点之一是这两类天体如何在其光谱中产生强大的辐射。盛行的SGR模型认为这些强辐射来自中子星强磁场表面的星震。而流行的AXP模型则认为辐射来自于通过中子星的强大引力吸积的气体。如果这两种天体真有联系，那么这两种模型中至少有一种是错的。至于是哪一个，专家们争论得很激烈。
急剧上升的星震
1979年，当轨道卫星和行星际空间的探测器记录到一系列强大的X射线和γ射线爆发时，SGR的故事开始了。没有人知道它们是什么。大多数的天文学家把它们分类为γ射线爆。但是其中有一次爆发很特别。1979年3月5日，它出现了，比当时已知的任何一次γ射线爆都要亮，而且包含有更多的低能辐射，之后它一次又一次的爆发，以4年为周期爆发了16次。更为重要的是，“普通”的γ射线爆发生在天空中“空无一物”的地方，但是这一个——SGR 0526-66，在被定位之后——却属于银河系的伴星系、距我们170000光年的大麦哲伦星云中的一个年轻的超新星遗迹。
到1986年，γ射线爆研究人员已经识别出另两个具有相同特征的射线源：有多次的短时间爆发；具有“软”光谱（有相对高的低能辐射）；以及与超新星遗迹有可能的联系。尽管邓肯说称之为“硬X射线闪现源”更贴切，但这3个古怪的天体最终还是被命名为“软γ射线再现源”。
德州大学的罗伯特·邓肯以及加拿大理论天体物理学院的克利斯托夫·汤普孙（Christopher Thompson）推测具有强磁场的中子星的星震产生了这些再现源。在《天体物理》杂志上他们从理论的角度预言了这些古怪的天体的存在，并且为之取名“磁星”（magnetar）。
和其他的中子星一样，磁星诞生于大质量恒星的超新星爆发。恒星的核塌缩成一个高速旋转的高密度中子球，其外层是一个1公里后的固态铁硬壳。结果就形成了宇宙中密度最大的物质——一个恒星的物质被压进了比华盛顿特区还小的球内，其每一立方厘米就重达1亿吨。
由它们快速的无线电脉冲显示，中子星在疯狂地自转，其中一些每秒钟转数百圈。在磁星的内部，刚形成的中子星的旋转速率高得足以使其内部的导电液体流动而变成发电机，产生高达1千万亿高斯的磁场。这一磁场是射电脉冲星的1000倍，是冰箱磁铁的10万亿倍。按照邓肯和汤普孙的模型，如此强的磁场会周期性地使中子星的外壳变形、爆裂，产生星震和震波，它们会释放出巨大的能量并发射出快速运动的元粒子流和高能辐射。
1998年当克微利奥多和她的同事发现有一个SGR在几年时间中就减速了0.1%时，磁星模型得到了证据。假设减速是磁场减速所引起的（唯一可行的解释），克微利奥多推测其磁场强度可达8百万亿高斯——与磁星模型相吻合。“我认为这一证据是吸引人的，”邓肯说。大多数的天体物理学家也表示同意；近年来磁星模型在理论解释SGR上独占鳌头，无出其右者。
普遍存在的能量源
当一些科学家正从四面八方逼近SGR时，其他的科学家则把AXP也放进了天体物理学的动物园。在七、八十年代，X射线卫星首次探测到AXP，尽管直到1995年天文学家才意识到它们是一类天体——但对于AXP是什么他们仍有分歧。“普通”的X射线脉冲星是双星系统中高速旋转的中子星。它们的X射线源自于它们伴星的炽热气体，它们在吸积盘中积累气体并在气体掉入中子星时将它们加热。虽然AXP没有显示伴星的迹象，但天体物理学家推测它们也是由吸积盘驱动的。
哈佛—史密松天体物理中心的皮纳克·卡特瑞（Pinaki Chatterjee）、拉斯·恩奎斯特（Lars Hernquist）以及瑞马什·纳瑞延（Ramesh Narayan）建立了一个模型，其中AXP由超新星爆发的残骸来提供能源。“我们发现在宇宙中吸积是普遍存在的能源，它为大多数的X射线脉冲星提供能量，”NASA戈达德飞行中心的大卫·马斯登（David Marsden）说，他也持有相同的观点，“因此我们有一个强烈的愿望，就是用吸积模型来解释AXP。”
然而，其他的模型也在兴起。几年前，普林斯顿大学的伯丹·帕克金斯基（Bohdan Paczynski）提出一个完全不同的理论。按照他的想法，AXP不是由下落的气体提供能量而是由其自身损失的角动量来提供能量。帕克金斯基的计算表明一颗小中子星没有足够的角动量来做到这一点；为了这一机制奏效，这一天体必须具有相同的质量但要大得多——也许这吸引人的天体可以由两颗白矮星合并而成。
荷兰尤塔克特（Utrecht）大学的马蒂·科威克（Marten van Kerkwijk）对此表示怀疑。他说，白矮星模型有太多的问题，最主要的一个是无法解释为什么一些AXP与超新星遗迹有联系。但科威克认为吸积模型也有致命的错误。事实上，他说，新的观测数据似乎会把它们排除掉。
与尤塔克特大学的费迪·福勒曼（Ferdi Hulleman）和库加尼一起，科威克使用10米的凯克望远镜来识别6个AXP之一的4U 0142+61的光学对应体。在12月7日出版的《自然》杂志上，他们说这一光学对应体的亮度比用吸积模型推算的要暗得多。邓肯表示同意，他说：“化石盘（fossil disk）模型确实被证明有误。”
为了解释AXP，邓肯和科威克想到了很好得解释了SGR的模型：磁星。他们指出理论模型显示磁星时短命的。在10000年左右之后，中子星冷却下来，随之它们的磁场能源也被切断。这也许可以解释SGR如何演化成AXP。磁星可以经历星震，产生软γ射线10000年，之后当磁场能耗尽后便停止了爆发。在之后的100000年内，其磁场仍强得足以产生稳定的X射线脉冲，并且磁星会变成可见的AXP。再以后，它会逐渐地衰弱并最终消失。
知己或是陌生人？
坚信这一理论的人会发现，许多天文学家有他们自己的疑问。“磁星只是基于假设的天体，”卡特瑞说，他指出唯一有关强大磁场的证据来自对脉冲星自转的测定而不是直接的测量。至于4U 0142+61，他补充说，需要在其他波段对其进行更详细的观测以后，才能确定他对吸积模型的影响。
NASA的马斯登表示同意。他说：“只有吸积模型被清楚地、彻底地排除之后，其他新的模型才能被广泛地接受。”
同时，一些惊人的证据显示这两种神秘的天体可能是完全不同的两类。麻省理工学院的布莱恩·加斯勒（Bryan Gaensler）研究SGR和AXP时把他们与超新星遗迹联系了起来。从年龄、到超新星遗迹的距离以及中子星到遗迹中心的位移，它计算表明AXP正以每秒500公里的速度离开超新星遗迹。这是在预想之外的，因为中子星被认为是从超新星爆炸中创生的。但更惊人的是，SGR的速度似乎是AXP的4倍。
克微利奥多说，这一速度的差别提出了一个困难的选择。如果天文学家已使中子星和超新星遗迹相匹配，那把SGR和AXP联系起来就十分困难了，而且它们还具有差别如此大的速度。相反地，如果它们被联系在一起，那么其中至少有一个“与超新星遗迹的联系是错的，”克微利奥多说。
科威克承认与超新星的联系可以变得更有说服力：尽管大多数的SGR和AXP似乎与超新星遗迹有联系，但是6个已知的AXP中只有2个、4个已知的SGR中也只有2个与超新星遗迹的联系比较的明朗。至于第3个SGR，中子星离开超新星遗迹太远了以至于如果它们真的有联系，中子星必须以每秒2900公里的速度运动。加州大学伯克利分校的凯文·胡瑞利（Kevin Hurely）希望通过使用钱德拉来测量X射线源的位移来检查这些计算的结果。
最终，AXP和SGR的联系（如果有的话）将取决于更多的数据。不幸的是，即使是最灵敏的轨道天文台或是地基望远镜都无法探测超强的磁场，这是证明磁星模型争取与否的关键。但它们也许可以揭示AXP是否通过吸积产生能量，或者它们中的任何一个是否与帕克金斯基的合并白矮星相符。如果观测排除了这些选择，那么磁星模型看起来会越来越有希望。
而且如果磁星普遍存在，邓肯说，一个结果就是磁星可能不是我们所想的那样稀少。从理论预计的寿命和目前已知的SGR和AXP的数量，可简单的计算出，在银河系每1000年会诞生一颗新的磁星。与此同时，1000万个“已死”的磁星可能正急速穿过星际空间，邓肯说，——黑色的野兽正在宇宙夜幕的掩饰下潜行。
译自
[Science 5 Jan 2001]
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