【宇宙科普】僅次於宇宙大爆炸,探測到迄今為止,能量最強的伽馬射線暴

天空之城 2020/10/22 檢舉 我要評論

宇宙中最強烈爆炸產生的能量甚至比之前已知的更高:使用專門的望遠鏡,兩個國際研究小組記錄到了從伽馬射線爆發中測量到的最高能量伽馬射線,達到了可見光的1000億倍。使用H.E.S.S.和MAGIC望遠鏡的科學家們在《自然》期刊上發表了其觀察結果,這是第一次用地基伽馬射線望遠鏡探測到伽馬射線爆發。DESY在兩個天文臺中都扮演著重要的角色,這兩個天文臺都是在Max Planck Society的領導下運行。

伽馬射線暴(GRB)是在宇宙中的某個地方每天都在發生的突然、短暫的伽馬輻射爆發。根據目前所知,它們起源於碰撞中子星或巨型恒星塌縮成黑洞的超新星爆炸。伽瑪射線爆發是宇宙中已知的最強大爆炸,僅在幾秒鐘內就釋放出比太陽整個生命週期中釋放的能量還多,可以照亮幾乎整個可見的宇宙。天文學家一直在用衛星研究伽馬射線爆發,因為地球的大氣層非常有效地吸收伽馬射線。

天文學家已經開發出專門的望遠鏡,可以觀察到宇宙伽馬射線在大氣中誘導稱為切倫科夫光的微弱藍色輝光。但這些儀器只對能量非常高的伽馬射線敏感,不幸的是,伽馬射線爆發的亮度隨著能量增加而急劇下降。切倫科夫望遠鏡已經發現了許多非常高能量的宇宙伽馬射線源,但沒有伽馬射線爆發。另一方面,人造衛星的探測器太小,不能在非常高能量下對伽馬射線暴的低亮度敏感。

所以,它實際上是未知的,如果怪物般的爆炸發射伽馬射線也是在非常高的能量區域。科學家們多年來一直試圖用切倫科夫望遠鏡捕捉伽馬射線爆發。現在兩個國際天文學家團隊,都包括DESY科學家,第一次從地面上探測到了來自兩個伽瑪暴事件的伽馬射線。利用納米比亞高能立體系統H.E.S.S.的28米望遠鏡觀測到伽馬射線GRB 180720B的微弱餘輝發射。

位於拉帕爾馬的主要大氣伽馬成像切倫科夫(Magic)望遠鏡探測到GRB190114C的明亮早期發射。這兩個觀測都是由美國航天局NASA的伽馬射線衛星觸發,這些衛星監測天空中的伽馬射線爆發,並在探測到伽馬射線時自動向其他伽馬射線觀測站發送警報。在最初的20分鐘觀察中,檢測到了來自GRB 190114C的數千個光子,能量在200到1000億電子伏特(0.2到1太電子伏特)之間的伽馬射線。

這是迄今為止從伽馬射線爆發中發現能量最高的光子,而可見光大約在1到3電子伏特范圍內。這一快速發現使整個觀察界迅速警覺起來,結果,二十多個不同的望遠鏡對目標進行了更深入的觀察。這使得可以精確定位最高能量發射物理機制的細節。GRB180720B,距離60億光年甚至更遠,在初始爆炸後很久,仍然可以在能量在100億到4400億電子伏特之間的伽馬射線中探測到。這個發現來得相當出乎意料,因為伽馬射線爆發正在迅速衰減。

留下的餘輝可以在從無線電到X射線的許多波長上看到數小時到數天,但以前從未在超高能量伽馬射線中被檢測到。這一成功也歸功於一種改進的後續戰略,在這種戰略中,還專注於在實際恒星塌陷之後進行觀察。在非常高能量下的伽馬射線爆發探測為巨型爆炸提供了重要的新見解。已經確定伽瑪暴產生的光子能量比可見光高數千億倍。測量表明,超高能量伽馬射線釋放的能量與所有較低能量的總輻射量相當。要解釋觀察到的超高能伽馬射線如何產生,是具有挑戰性的。

兩個小組都假設一個兩個階段的過程:首先,爆炸雲中的快速帶電粒子在強磁場中偏轉並發射所謂的同步輻射,這種輻射的性質與地球上同步加速器或其他粒子加速器產生的輻射性質相同,例如在DESY。然而,只有在相當極端的條件下,爆炸產生的同步光子才能達到觀察到的非常高能。相反,科學家們考慮第二步,在那裡同步輻射光子與產生它們的快速粒子碰撞,這將它們提升到非常高的伽馬射線能量,科學家稱後一步為逆康普頓散射。

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