伽玛射线暴是宇宙中最剧烈的电磁现象，它在几秒钟内释放的能量比太阳一生的辐射还多。已观测到一部分长时标伽玛射线暴（持续时间大于2s, 简称长暴）与Ic型超新星成协说明其与大质量恒星死亡有关。大质量恒星坍缩后，中心可能形成快速旋转、高度磁化的中子星，即磁陀星，它通过自转减速为伽玛暴供能。然而，伽玛暴的前身星特征及磁陀星形成的条件依然不确定。

为了探究具备哪些特征的大质量恒星在演化末期可以产生长暴及新形成的磁陀星的特征，我们使用恒星演化程序MESA模拟了一系列具有不同初始质量（10-30倍太阳质量）、旋转速率（0.1-0.8倍临界速度）、金属丰度（0.01，0.1和0.5倍太阳金属丰度）和星风质量损失系数（0.5，1和5倍“Dutch”星风质量损失）的单星从主序前阶段一直演化到铁核开始坍缩的整个生命历程。图1展示了具有不同初始参数的大质量恒星的演化路径，可以发现初始旋转速率较低的恒星会朝着赫罗图的红端演化，最终成为红超巨星，可能是IIP型超新星的前身星。初始旋转速率较高的恒星会失去氢/氦包层，演化为Wolf-Rayet（WR）星，并可能成为Ibc型超新星或伽玛暴的前身星。

图1 不同初始质量、旋转速率、金属丰度和星风质量损失系数的大质量恒星的赫罗图。

我们发现，一颗恒星是否能演化成长暴前身星主要由其初始自转速率和质量决定。如图2所示，随着初始质量的增加，恒星坍缩时能够产生磁陀星所需要的最小初始旋转率逐渐降低。初始金属丰度和星风质量损失系数越大，产生磁陀星所需的初始最小旋转率就越大。换言之，低金属丰度的大质量恒星更容易产生磁陀星。此外，我们还估计了不同模型产生的磁陀星的旋转周期、磁场强度和质量（见图3）。这些毫秒级磁陀星的典型旋转能可以满足长暴能量需求。

图2 从具有不同初始金属丰度和星风质量损失系数的恒星模型中产生磁陀星所需的初始质量和旋转速率的范围图。具有蓝色区域内对应的初始参数的模型才能演化成WR星，而这些WR星最终可能在核心坍缩时发生超新星爆炸或长暴暴，从而产生磁陀星。

图3 不同初始质量、金属丰度和旋转速率的单星模型产生的磁陀星的质量、旋转周期和磁场强度分布情况（注：星风质量损失系数为1）。

本研究工作以“Long-duration Gamma-ray Burst Progenitors and Magnetar Formation”为题，被The Astrophysical Journal接受发表。论文第一作者和共同通讯作者为上海交通大学李政道研究所博士后宋翠英博士，我系刘彤教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2301.05401