最強伽馬射線暴,將會揭秘哪些超新星謎題?

“我們懷着敬畏之心,能夠研究它是件非常幸運的事情”

圖 1 智利的雙子座南望遠鏡對GRB221009A的觀測

(圖片來源:雙子星天文臺/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU)

& J. Rastinejad & W. Fong (西北大學))

在2022年10月9日,一束明亮的光芒掠過我們的星球,甚至使幾顆衛星探測器暫時“失明”,所有的目光都聚焦在點亮天空的超強伽馬射線暴上。伽馬射線是宇宙中除大爆炸外已知的能量最高的爆炸類型,它的出現往往是黑洞誕生的跡象。

短短几小時間,全球數以萬計的望遠鏡指向了爆炸的源頭,紛紛記錄下這載入史冊的一刻。這一事件有個綽號叫做“BOAT”(brightest of all time),官方名稱是“GRB221009A”,科學家們希望通過它闡明在可怕的黑洞中的物理學知識。馬里蘭和喬治華盛頓大學的布蘭登·奧康納表示:“這是百年一遇,甚至是千年一遇的大事記,我們驚歎於它的出現,並十分慶幸自己有機會研究它。”

其實,伽馬射線並不稀奇,幾乎每天都有一束掠過地球,宇宙中出現的次數更加頻繁。大質量恆星超新星爆炸中產生中子星,這一恆星屍骸逐漸燃盡了能量,坍塌引起的伽馬射線僅閃耀幾分之一秒。而由黑洞引起的伽馬射線能長達幾分鐘,它從超新星爆炸中產生,吞噬了母星的大量物質,不得以巨大射流的形式噴射出來。

此次觀察到的伽馬射線暴相比以往格外突出,產生的光子轟擊探測器長達十分鐘,攜帶的能量遠高於往常觀測值。在18太電子伏特下,GRB221009A的光子能量是地球上最強大的粒子發生器——大型強子對撞機產生光子的兩倍。伽馬射線與宇宙塵埃相互作用產生的爆炸餘波也很不尋常,儘管伽馬射線源被銀河系的厚帶阻隔,但比之前所見的餘輝都要閃耀,爆炸使地球大氣層發生電離,干擾了長波無線電通信。

圖 2 智利的雙子座南望遠鏡觀測到的GRB221009A伽馬射線暴

(圖片來源:雙子星天文臺/NOIRLab/NSF/AURA//B. O'Connor (UMD/GWU)

& J. Rastinejad & W. Fong (西北大學))

布蘭登·奧康納表示,2022年10月14日,伽馬射線發射五天後,我們藉助智利的雙子座南望遠鏡,追蹤到了大約30 %伽馬射線的來源,它來自於充滿灰塵的人馬座星系,也被稱作箭星系。同時也帶來了另一個驚喜,此次伽馬射線暴相比以往離地球更近。

參加測量的西北大學學生吉利安·拉斯蒂內賈德說,該射線產生於大質量恆星的坍塌,這些恆星壽命很短。它們遵循宇宙中恆星的形成歷史,所以恆星的形成越激烈,這些爆發也越多,大約是宇宙年齡的一半。然而,這次伽馬射線暴發生時間較晚,距離我們更近。

天文學家推測GRB221009A來源於地球外24億光年處,此前也觀察過更近距離的射線暴,但這次能量高顯得非常突出。“正是由於足夠耀眼,我們有充足的時間挖掘更多細節”,布蘭登·奧康納指出,“目前至少有50臺望遠鏡在全波段觀測,我們能夠最大限度地利用科學技術”。

實際上射線暴僅僅維持數分鐘,但餘波影響可持續數週。此外科學家們也致力於尋找超新星引發的爆炸,它向外噴射物質的速度更慢。布蘭登·奧康納說,我們目前的理解是大質量恆星向內坍縮形成黑洞,恆星的殘骸不斷被吸入,以噴流的形成從黑洞中噴射,並以接近光速運行,形成了伽馬射線暴。同時,一部分殘骸向外反彈,以較慢的速度運行,形成了超新星爆炸。

圖 3 最強伽馬射線暴引燃的宇宙塵埃環

(圖片來源:NASA/Swift/A. Beardmore (英國萊斯特大學))

最初形成的伽馬射線暴與周圍物質作用形成餘波,拉斯蒂內賈德表示,該波長橫跨電磁波範疇,在X射線和無線電波區域最適宜觀察,科學家仍致力於觀測射線餘波,它首先被美國宇航局伽馬射線追蹤衛星Swift拍攝到,在爆炸後幾小時在源頭周圍形成彩色環。

望遠鏡現在可以看到GRB221009A處超新星爆炸的最初跡象,拉斯蒂內賈德指出,未來幾周爆炸現象將完全呈現在我們面前,但由於爆炸源位置受限,我們可能無法看到整個超新星爆炸消亡。它逐漸去往太陽後方,所以持續到今年11底,我們在明年2月才能再次觀測。

她指出,2023年美國宇航局詹姆斯·韋伯和哈勃太空望遠鏡將一同加入該項工作,分別貢獻出它們超強的光學和紅外探測能力。探索爆炸產生的能量是一個標誌性事件,對於探究其中的化學物質亦是如此,我們對於宇宙中一些重元素的產生仍不清楚,研究超新星有助於我們破解謎題。

圖 4 新生黑洞形成強大的伽馬射線噴流

(圖片來源:NASA/ESA/M. Kornmesser)

20世紀60年代,美國用於窺視蘇聯核試驗的軍用衛星偶然發現了伽馬射線,幾十年間伽馬射線仍是一個謎題,直到90年代,科學家們首次意識到,隱藏在宇宙中各個角落的伽馬射線可能與恆星坍縮有關。

目前大量關於伽馬射線的理解,仍然是基於理論計算和模擬,科學家們相信此次伽馬射線暴將很好地修正之前的理論。科學家們將充分抓住這千載難逢的機會,未來幾個月將有海量的文章發表出來。

儘管能量類似的爆炸爲科學研究帶來了福音,但科學家們並不希望這類大爆炸發生在地球附近,最好也不要在我們的星系中。科學家們認爲從幾千光年外射向地球的伽馬射線會破壞臭氧層,引發大氣變化最終產生冰河時代。事實上,一次類似的伽馬射線暴造成了地球上五大物種滅絕事件之一—約4.4億年前的奧陶紀物種大滅絕。

“幸運的是,此次噴流產生的伽馬射線暴非常狹窄,只有幾度寬”,布蘭登·奧康納表示,“如果它恰好發生在我們星系,直指我們,那可就危險了,不過好在這類現象發生的概率極低”。

補充解釋:① NOIRLab:National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory

美國國家光學紅外天文研究實驗室

② NSF:National Science Foundation 美國國家科學基金會

③ AURA:Association of Universities for Research in Astronomy

大學天文研究聯合組織

④ 太電子伏特亦即兆兆電子伏特,10^12 ev

⑤ LHC:Large Hadron Collider 大型強子對撞機

⑥ Swift:Swift Gamma-ray Burst Explorer 雨燕γ射線暴探測器

BY: Tereza Pultarova

FY: gxm

如有相關內容侵權,請在作品發佈後聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處