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美国宇航局的费米发现一个奇怪的高能辐射脉冲冲向地球

2021-07-27 10:47          高能辐射脉冲 X射线伽马射线
当大质量恒星的核心坍缩时,它会形成一个黑洞。一些周围的物质以强大的喷流的形式逃逸,这些喷流以几乎光速朝相反的方向冲出,如图所示。通常来自坍缩恒星的喷流会产生几秒到几分钟的伽马射线。天文学家认为来自 GRB 200826A 的喷流迅速关闭,产生了有史以来从坍缩恒星中产生的最短伽马射线爆发(洋红色)。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯史密斯 (KBRwyle)

2020 年 8 月 26 日,美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜探测到了一个高能辐射脉冲,该脉冲已经向地球加速了近一半的宇宙年龄。只持续了大约一秒钟,结果证明它是记录簿中的一个——有史以来由大质量恒星死亡引起的最短伽马射线爆发 (GRB)。

伽马暴是宇宙中最强大的事件,可以在数十亿光年的范围内探测到。天文学家根据事件持续时间长于还是短于两秒将它们分为长短。他们观察到与大质量恒星消亡相关的长爆发,而短爆发则与不同的场景有关。

天文学家结合来自美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜、其他太空任务和地面天文台的数据,揭示了 GRB 200826A 的起源,这是一种短暂但强大的辐射爆发。这是已知由坍缩恒星提供动力的最短爆发——而且几乎根本没有发生。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

“我们已经知道一些来自大质量恒星的伽马暴可以记录为短伽马暴,但我们认为这是由于仪器的限制,”中国南京大学和拉斯维加斯内华达大学的张斌斌说。“这次爆发很特别,因为它绝对是一个持续时间较短的伽马暴,但它的其他特性表明它起源于一颗坍缩的恒星。现在我们知道垂死的恒星也会产生短暂的爆发。”

命名为 GRB 200826A,在它发生的日期之后,这次爆发是 7 月 26 日星期一发表在《自然天文学》上的两篇论文的主题。第一篇由张领导,探索伽马射线数据。第二个由马里兰大学帕克分校和美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的博士生 Tomás Ahumada 领导,描述了 GRB 衰落的多波长余辉和随后超新星爆炸的新兴光。

“我们认为这一事件实际上是一场失败,几乎完全没有发生,”Ahumada 说。“即便如此,这次爆发所释放的能量是整个银河系在相同时间内释放的能量的 1400 万倍,使其成为有史以来能量最高的短时伽玛暴之一。”

当一颗比太阳质量大得多的恒星耗尽燃料时,它的核心会突然坍塌并形成一个黑洞。当物质向黑洞旋转时,其中一些物质会以两股强大的喷流的形式逃逸,这些喷流以几乎光速向相反的方向冲出。天文学家只有在这些喷流中的一个几乎直接指向地球时才会探测到伽玛暴。

每个喷流都穿过恒星,产生伽马射线脉冲——能量最高的光形式——可持续长达几分钟。爆发后,被破坏的恒星会迅速膨胀为超新星。

另一方面,当成对致密天体(例如在恒星坍缩过程中形成的中子星)在数十亿年的时间里向内盘旋并碰撞时,就会形成短伽玛暴。费米的观测最近帮助表明,在附近的星系中,来自孤立的超磁化中子星的巨大耀斑也伪装成短伽玛暴。

GRB 200826A 是一次仅持续 0.65 秒的高能发射的猛烈爆炸。在膨胀的宇宙中传播了亿万年之后,当费米的伽马射线暴监测器检测到信号时,它已经延长到大约一秒钟。该事件还出现在 NASA Wind 任务的仪器中,该任务绕地球和太阳之间的一个点运行,距离约 930,000 英里(150 万公里),以及自 2001 年以来一直围绕这颗红色星球运行的 Mars Odyssey。ESA(欧洲空间)机构的) INTEGRAL 卫星也观测到了爆炸。

所有这些任务都参与称为行星际网络 (IPN) 的 GRB 定位系统,费米项目为此提供了所有美国资金。因为爆发在稍微不同的时间到达每个探测器,任何一对都可以用来帮助缩小它在天空中发生的位置。GRB 发生后大约 17 小时,IPN 将其位置缩小到仙女座星座中相对较小的一片天空。

该团队使用美国国家科学基金会资助的位于帕洛玛天文台的兹威基瞬变设施 (ZTF),扫描天空中的可见光变化,这可能与 GRB 的衰落余辉有关。



GRB 200826A 逐渐消失的余辉(中)的发现图像。图片来源:ZTF 和 T. Ahumada 等人,2021 年

“进行这项搜索类似于大海捞针,但 IPN 有助于缩小大海捞针,”加州理工学院的研究生、余辉论文的合著者 Shreya Anand 说。“在第一晚的 28,000 多个 ZTF 警报中,只有一个符合我们的所有搜索条件,并且出现在 IPN 定义的天空区域内。”

在爆发后的一天内,美国宇航局的 Neil Gehrels Swift 天文台发现了来自同一位置的衰落 X 射线辐射。几天后,美国国家射电天文台位于新墨西哥州的 Karl Jansky 甚大阵列探测到了可变射电发射。然后,该团队开始使用各种地面设施观察余辉。

该团队使用位于西班牙加那利群岛拉帕尔马的 Roque de los Muchachos 天文台的 10.4 米望远镜 Gran Telescopio Canarias 观察与爆发相关的微弱星系,发现它的光需要 66 亿年才能到达我们。这是宇宙当前年龄 138 亿年的 48%。

但是为了证明这次短暂的爆发来自一颗正在坍缩的恒星,研究人员还需要捕捉正在出现的超新星。

“如果爆发是由一颗坍缩的恒星引起的,那么一旦余辉消失,它就会因为潜在的超新星爆炸而再次变亮,”戈达德天体物理学家兼 Ahumada 的研究顾问 Leo Singer 说。“但在这些距离上,你需要一个非常大且非常灵敏的望远镜,从其宿主星系的背景眩光中挑选出来自超新星的光的精确点。”

为了进行搜索,辛格获得了使用夏威夷 8.1 米双子座北望远镜的时间,并使用了一种称为双子座多目标光谱仪的敏感仪器。天文学家在爆发后 28 天开始用红光和红外光对宿主星系进行成像,并在事件发生后 45 天和 80 天重复搜索。他们在第一组观测中发现了一个近红外源——超新星,在后来的观测中是看不到的。

研究人员怀疑,这次爆发是由在恒星关闭之前几乎没有从恒星中出现的喷流提供动力的,而不是更典型的情况,即持久的喷流从恒星中爆发出来并与它相距很远的距离。如果黑洞发射了较弱的喷流,或者如果恒星开始坍缩时要大得多,那么可能根本就没有伽玛暴。

这一发现有助于解决一个长期存在的难题。虽然长伽玛暴必须与超新星耦合,但天文学家探测到的超新星数量远多于长伽玛暴。即使考虑到 GRB 喷流必须接近我们的视线才能让天文学家完全探测到它们,这种差异仍然存在。

研究人员得出结论,产生短 GRB 的坍缩恒星一定是光速射流在成功或失败的边缘摇摆不定的边缘情况,这一结论与大多数大质量恒星在完全不产生射流和 GRB 的情况下死亡的观点一致。更广泛地说,该结果清楚地表明,仅爆发的持续时间并不能唯一地表明其起源。

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