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科学家观测到超强伽马射线暴
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科学家观测到超强伽马射线暴

2020-07-12 11:39 主页 来源:未知
科学家观测到超强伽马射线暴
 
一对伽马射线暴(GRB)被一个国际的天文学家小组发现了,其能量比以往观测到的任何物质都要强大。GRB是宇宙中已知的最强的爆炸,但这些最新的观测表明,我们以前是大大地低估了它们的真正潜力。三篇发表在《自然》杂志上最新的论文描述了两种全新的伽马射线暴——GRB190114C和GRB 180720B——这两种射线暴都产生了高能光子——目前为止有记录的GRB事件中能量最高的光子。这些未想过的观测结果发出了新的光芒——确切地说——为这些神秘的宇宙事件及其背后的原理发出了新的光芒。
 
 
 
图片:伽马射线暴 来源:谷歌
 
我们认为巨大的恒星坍缩成黑洞,形成超新星所引发了伽马射线暴。由此产生的爆炸会产生一种强大的、浓缩的喷流,以99.99%的光速将物质射入太空。高速加速的粒子通过与磁场和辐射的复杂相互作用产生伽马射线。随后伽马射线继续穿越星际空间,其中一些最终到达地球。当它们与大气接触时,伽马射线会引发粒子级联,进而产生一种被称为切伦科夫光的现象,这种现象可以被特殊装置的望远镜探测到。
 
 
 
图片:超新星,科学家猜测其可以引发伽马射线暴(GRB)
 
“天文学家50多年一直在研究伽马射线暴,但是还有很多东西需要学习,包括需要深入了解伽马射线如何产生,以及包括物质以如此极端速度从黑洞向外抛出时的物理学。”华威大学的一个新研究的合作作者之一,天文学教授Andrew Levan说道。前所未有的巨大能量的、新发现的伽马射线暴,无疑是有帮助的。
 
Levan在给Gizmodo的电子邮件中写道:“这些新的观测结果扩大了伽马射线的能量范围,揭示了我们以前从未见过的辐射一个新组成部分。”“他们是一个让望远镜探测到这种光的技术的绝佳演示。最重要的是,它们提供了一种新方法来理解自然界最极端条件下的物理学。”
 
事实上,如果没有一些引人注目的技术,这些观测是不可能的。新论文中描述的GRB能量是通过观察它们对大气的影响来测量的。当伽马射线冲进我们的天空时,它们会产生大量的粒子,并产生一种空气簇射。这些簇射以相对速度运动时,会产生一种可探测到的蓝色辉光,称为切伦科夫光,切伦科夫望远镜可以适当地探测到这种蓝光。
 
 
 
图片:切伦科夫光 来源:谷歌
 
在这种情况下,这些望远镜的成像系统使用了纳米比亚的高能立体成像系统(HESS)和加那利群岛的专业大气切伦科夫伽马成像系统 (MAGIC),两个都是由马克斯·普朗克学会操作的。以前曾用过卫星来观测切伦科夫光,但它们的仪器不够灵敏,因为它们产生的是弱光,无法探测到超高能量的事件。第一次高能事件是GRB 180720B,发生于2018年7月20日,由马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)、德国电子同步加速器研究所(DESY)、国际射电天文学研究中心(ICRAR)和其他几个机构的天文学家领导的一篇论文中进行了描述。第二个事件,GRB 190114C,发生在2019年1月14日,在两篇新论文中都有描述,都是由马克斯·普朗克物理研究所的Razmik Mirzoyan领导的。来自世界各地的300多名科学家参与了这项研究。
 
 
 

 
 
“这些特殊的爆发的特别之处不在于它们总共发出了多少能量,而在于我们从单个的光中看到的能量。” Levan解释说。“我们可以把光看作是由叫做光子的小粒子组成的,这些光子中的每一个都携带着能量。我们通常用电子伏特来测量能量,也就是单个电子通过1伏特的能量。”
 
我们周围的光子,我们用眼睛看到的,通常拥有大约1电子伏的能量,但是来自GRB 190114C的光子,通过MAGIC测量,携带了超过1万亿电子伏(TeV)的能量,这是我们用眼睛看到的能量的一万亿倍,Levan解释说。从另一个角度看,2013年创下记录的GRB的测量值为940亿电子伏特,即0.094 TeV。
 
他说:“这有点像你旁边站着的人是比尔·盖茨,而你的名下只有10美分。”不出所料,如果一个光子有这么多能量,它可以做不同的事情——有点像你可以过一种完全不同的生活,用1000亿美元而不是10美分。所以这种高能的光确实为宇宙打开了一扇新的窗。”
 
 
 

 
 
MAGIC收集的数据显示,GRB 190114C的能量在2000亿到10000亿电子伏特之间,也就是0.2到1TeV之间。这是目前发现的最强的GRB事件。所支持这项研究的天文台观测表明,这个GRB距离地球约40亿光年。根据赫斯的测量,早期的GRB 180720B稍弱一些,有记录的能量在1000亿到4400亿电子伏特之间,即0.1到0.44 TeV,据估计离我们有60亿光年远。
 
 
 
图片:GRB 190114C及其母星系的余辉。图片来源:NASA
 
“这些观测最使我惊讶的是,经过十多年的努力,我们终于看到了这样的高能释放,”Levan说。他说,除了这两起事件外,去年夏天还记录了另一起大的GRB,具体细节尚未公布。“这意味着,这种释放可能在伽马暴中相当常见,而不是非常罕见。“在这种情况下,我们花了这么长时间才找到合适的条件来发现这种异常高能的光,这实在令人惊讶。”Levan告诉Gizmodo。
 
这两篇新论文除了描述了新的GRB,还对高能光子提出了解释,即高能光子被认为是由一种被称为逆康普顿散射的双重性过程产生的。起初,快速加速的粒子在爆炸内部的强磁场中反弹,导致同步辐射。然后,在第二阶段,同步加速器的光子撞击产生它们的快速粒子,将它们的能量提升到地球大气中记录的极限速度。
 
 
 

 
 
GRB几乎每天都会被卫星记录下来,但从宇宙学的角度来看,它们实际上非常罕见。把这些东西从力量的角度来看,一个“典型的在几秒钟内释放太阳在100亿年所释放的能量,”天文学家吉玛·安德森在一份科廷大学研究合著的国际射电天文学研究中心新闻稿中解释说。如果伽马暴在我们附近的任何地方爆发,并直接聚焦于地球,就可能引发大规模灭绝。正如Levan向Gizmodo解释的那样,这样的事件可能确实发生在地球的远古时代。“我们在地质记录中可以看到一次大灭绝事件——奥陶纪大灭绝——这与我们预期的伽马射线爆发相吻合,”Levan说。“如果一个事件离地球足够近,现在就影响到我们,我们就会产生一些有些矛盾的效果。”首先,伽马射线会破坏臭氧层,使大量的紫外线到达地表。
 
相比之下,由于大气中关键分子的破坏和氧化亚氮的存在,可见光可能会被阻挡。氧化亚氮会阻挡阳光,引发冰河世纪。这种大气效应的双重打击将是不好的。“这与4.4亿年前奥陶纪大灭绝时的情况是一致的,尽管这不是唯一可能的解释,”Levan说。“然而,要想影响我们,伽马暴必须离我们足够近,而且它的喷流直接指向我们。观测表明,伽马暴在银河系中实际上非常罕见。”对此,他补充道:“我们真的不指望会少于每十亿年左右受一次重大影响——我们没有理由因为这种可能性而失眠。”
 
大约每十亿年一次?嗯,我喜欢这种可能性。