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    揭開史上最亮“宇宙煙花”的秘密

    時間:2023-06-21 10:55:24       來源:科技日報

    自1967年首次觀測到伽馬暴以來,人類至今已探測到近萬例伽馬暴。而在這萬例伽馬暴中,此次觀測到的伽馬暴更是獨一無二,其釋放出的能量不僅較此前觀測到的伽馬暴都高,而且產生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流,科學家將其評價為“千年一遇的重要天文事件”。

    大約20億年前,一顆相當于20倍太陽質量的恒星,在燃燒完自身燃料后即將“熄滅”,其坍縮瞬間爆炸形成了巨大的火球,耀眼的“火光”持續了數百秒,仿佛一個巨大的宇宙煙花。


    【資料圖】

    在經歷漫長的旅程后,這次爆炸形成的伽馬射線暴(以下簡稱伽馬暴)終于抵達地球。與此同時,位于四川省稻城縣海子山上的高海拔宇宙線觀測站(又稱“拉索”)已睜開大大的“眼睛”,目睹了這場絢爛的“宇宙煙花”——人類目前觀測到的史上最亮伽馬暴。6月9日,“拉索”合作組在《科學》雜志發表文章,揭開了這次史上最亮伽馬暴背后的秘密。

    對“后隨爆炸”教科書般的觀測

    伽馬暴是宇宙中某一方向上伽馬射線瞬時增強的一種現象。伽馬暴雖不常見,但伽馬射線離我們的生活并不遙遠。作為一種波長極短、穿透力極強,同時又攜帶高能量的原子核射線,伽馬射線在生活中用途廣泛,如癌癥放療中,醫生常用高通量的伽馬射線來殺死癌細胞。

    但是,從宇宙深處到達地球的伽馬暴早已沒了這樣的“威力”。伽馬暴輻射面積之巨,比數百個銀河系的范圍還要大,加之動輒與地球數十億光年的距離,使得它們的光子通量在抵達地球上空時已所剩無幾,只有動用最精密的儀器才能夠對其進行觀測。

    根據持續時間的長短,伽馬暴被分為長暴和短暴。長暴的持續時間在2秒以上,最長可達數千秒,通常被認為是大質量恒星在核心坍縮爆炸后產生的,此次觀測到的史上最亮伽馬暴便屬于長暴。短暴的持續時間低于2秒,最短的只能以毫秒計算,往往來自于兩顆極端致密天體,如中子星、黑洞等的并合爆炸,并且這一過程時常伴隨引力波的產生。

    伽馬暴之所以能夠被稱為“宇宙煙花”,是因為其在短短幾秒內散發的能量可能比太陽百億年壽命中釋放的能量總和還要多。自1967年首次觀測到伽馬暴以來,人類至今已探測到近萬例伽馬暴。而在這萬例伽馬暴中,此次觀測到的伽馬暴更是獨一無二,其釋放出的能量不僅較此前觀測到的伽馬暴都高,而且產生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流,科學家將其評價為“千年一遇的重要天文事件”。

    此外,“拉索”合作組還首次精確觀測了伽馬暴“后隨爆炸”的完整過程。伽馬暴的過程可以被劃分為“主爆”和“后隨爆炸”。此次研究的通訊作者之一、南京大學教授王祥玉告訴記者,在爆炸初始階段,爆炸后的拋射物是噴流狀結構,但拋射物的速度有快有慢,“當慢的物質被快的物質追上了,在噴流結構的內部發生碰撞,這就產生了‘主爆’?!?/p>

    在“主爆”發生后,爆炸產生的物質會繼續向外擴散,與外部環境中的物質發生進一步接觸,進而產生新的爆炸,即“后隨爆炸”,也被稱為“余輝”?!霸谶@個過程中,激波會將電子加速,并在磁場中發出同步輻射光,高能電子通過與同步輻射光子碰撞把能量傳輸給光子,于是就產生了高能光子輻射?!蓖跸橛窠榻B道。

    而“拉索”則是在全球范圍內首次探測到了“后隨爆炸”過程中高能光子的上升過程,從而做到了對“后隨爆炸”的完整觀測,實現了其他實驗沒有達到的對高能量波段光變過程的教科書式的記錄,為伽馬暴理論模型的精確檢驗打下了堅實的實驗基礎。

    “拉索”看到了噴流的核心

    此次觀測到的伽馬暴,其亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上,過高的光子流量甚至使得多個國際實驗的探測器飽和。在此次“拉索”探測到的視場范圍內,共有6萬多個高能伽馬光子被收集到。若把選擇條件降到最低,光子數甚至可以達到10萬。

    為什么會這么亮?這是觀測到該伽馬暴后許多研究者的疑問,也是“拉索”合作組此次研究主要回答的問題之一。

    王祥玉向記者展示的一張“拉索”觀測到的光變曲線圖顯示,該曲線的頭部和尾部都十分“陡峭”,這意味著在觀測的初始和尾聲階段,光子亮度都發生了急劇變化。

    頭部“陡峭”的曲線表明,到達地球的光子是極速變亮的,在不到2秒的時間里,“拉索”收到的光子亮了100多倍,超出了以往伽馬暴理論模型的預期。

    根據以往理論模型的假設,“后隨爆炸”過程中高能光子流量的增長應該是較為緩慢平穩的。對于這一現象,王祥玉提供了一種可能的理論解釋,“‘余輝’將能量噴射出去了,按理說后續就沒有能量了,但可能中心天體‘引擎’又重新啟動了,為后續噴射注入了新的能量?!?/p>

    光變曲線的尾部同樣“陡峭”?!袄鳌焙献鹘M發現,爆炸開始后不到10分鐘,“拉索”收到的光子亮度突然間快速減弱?!斑@可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結構,當輻射張角擴展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降?!蓖跸橛裾f。

    這個輻射張角只有0.8度,且正對著地球。由于這個亮度轉折發生時間極早,意味著“拉索”觀測到的實際上是一個典型內亮外暗噴流的、最明亮的核心,相當于人類用眼睛直視著一束光的中心光源。這也解釋了為什么這個伽馬暴是“史上最亮”,也更加凸顯出此次對其成功觀測是千年難遇的“宇宙級幸運”事件。

    完善伽馬暴理論“拼圖”

    “拉索”并不是全世界第一個觀測到高能段“后隨爆炸”的觀測設備。在“拉索”建成投入觀測前,全球其他地區觀測設施已成功觀測多次高能光子的“后隨爆炸”,最早的一次是在2018年。

    “當時還覺得很懊悔,沒有趕上?!贝舜窝芯客ㄓ嵶髡咧?、中國科學院高能物理研究所研究員姚志國告訴記者,雖然沒趕上前幾次觀測機會,但得益于“拉索”對高能段伽馬暴觀測的絕對優勢,“拉索”觀測到了此前其他觀測設施沒看到的“后隨爆炸”上升階段?!按饲吧仙A段的高能段伽馬暴,只是在理論上存在,從來沒有看到過。這次‘拉索’的成功觀測,可以說完善了伽馬暴相關理論的最后一張‘拼圖’?!蓖跸橛駥Υ舜巍袄鳌钡挠^測成果給予了高度評價。

    但這張“拼圖”上仍然還有“模糊”的地方。例如,“后隨爆炸”中高能光子快速上升的形成機制仍然需要最終的理論解釋。

    但是,借助這張日趨完整的理論“拼圖”,研究人員已可以對伽馬暴形成機制中存在的若干問題進行深入探討,如關于伽馬暴噴流的成分組成,當下學界認為可能的組成有兩種,一種是由常規物質組成,另一種則認為伽馬暴噴流是高度磁化的,能量組成是電磁波而非物質。

    姚志國指出,下一個可能獲得重要突破的伽馬暴觀測研究方向是短暴。王祥玉也認為,如果能夠在距離地球很近的區域內發生短暴,或許也有可能觀測到高能光子輻射。而這同樣要依賴于“拉索”?!啊鳌谟^測短暴上也有優勢,短暴發生時間非常短,不到2秒。如果靠望遠鏡來觀測,等收到預警再轉過去肯定來不及,而大視場的‘拉索’可以全天候24小時不間斷觀測,就不會錯過‘精彩瞬間’?!币χ緡榻B道。

    除了對伽馬暴本身繼續進行深入研究,“拉索”此次接收到的大量光子,也能夠為其他課題研究提供重要參考。姚志國所在的一個“拉索”團隊正在利用大量光子數據,對狹義相對論的基本原理進行實驗驗證。狹義相對論認為,同一時間發出的、不同能量的光子到達觀測者的時間應是一致的,即光速不變性。其中,洛倫茲不變性是狹義相對論的基本假定。通俗來講,其是指一個非加速物理系統在作洛倫茲變換時,相關的基本物理規律不會改變。而一些大統一理論模型例如量子引力理論認為,在非常高的能量下,光速會隨能量變化,即洛倫茲不變性會發生破缺。要對光速不變性進行精確檢驗,需要獲得能量更高、時間延遲更短、距離更遠的高能光子。借助“拉索”對此次伽馬暴的觀測數據,研究者有望對洛倫茲不變性破缺的部分參數給出最強限制。(記者 都 芃)

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