檢測地球後院的伽瑪射線暴餘輝,高能光子能量達 3.3 TeV

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 04 日 14:37 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


當 1 顆大質量恆星塌縮或 2 顆中子星碰撞時會釋出高能伽馬射線暴,典型的長伽馬射線暴距離我們非常遠,最遠紀錄甚至在 100 億光年外,然而天文學家曾在距離地球僅 10 億光年處發現伽馬射線暴,彷彿坐在前排觀賞這場爆發。現在一個團隊分析這場伽馬暴餘輝表明,其光譜能量分布高達 3.3 TeV,這幾乎是可見光光子能量的 1 兆倍。

伽馬射線暴(Gamma Ray Burst,GRB)是發生在宇宙學尺度上一種恆星級天體的爆發過程,持續時間以 2 秒為界,可大致分為長暴(long burst)與短暴(short burst)。

目前科學家還無法百分百確認伽馬射線暴的起源是什麼,但一般相信長暴來自距離我們非常遙遠的大質量恆星塌縮過程,當恆星坍縮為黑洞並噴出相對論性噴流時會產生伽馬暴。這些事件通常距離我們數十億光年,去年科學家確認發現迄今第二遠的短伽瑪射線暴,甚至距離我們 100 億光年。

雖然伽馬暴本身僅維持幾秒鐘,但隨後會留下持續數小時到數天的餘輝(afterglow),科學家可用其他望遠鏡觀測到餘輝中其它波段的輻射,根據波段不同分為 X 射線餘輝、光學餘輝、無線電餘輝等。

2019 年 8 月 29 日,NASA 的費米伽瑪射線太空望遠鏡、尼爾·格雷爾斯雨燕天文台在波江座觀測到長伽瑪暴 GRB 190829A,距離我們僅約 10 億光年,和其他伽瑪暴相比,彷彿就是放在地球後院的宇宙煙火秀。而既然這種高能現象距離我們如此近,天文學家當然摩拳擦掌準備更詳細測量餘輝光譜特徵(極高能波段範圍的光子能量分佈),因高能光子的能量在抵達地球前可能還沒被路上各種碰撞吸收。

▲ 伽馬射線暴進入地球大氣層並被地面望遠鏡探測示意圖。

而當德國電子加速器(DESY)物理學家 Andrew Taylor 團隊聽到這消息時,立刻動員由 5 台伽馬射線望遠鏡構成的高能立體視野望遠鏡系統(High Energy Stereoscopic System,H.E.S.S.),投入 3 個夜晚共 13 小時觀測 GRB 190829A 餘輝,試圖分析更高能量的光子。

現在研究結果出爐,GRB 190829A 光譜能量分布高達 3.3 TeV,但令人意外的是,團隊發現餘輝中 X 射線與超高能伽馬射線存在非常相似的光譜特徵,這有點奇怪。

現有理論假設這 2 種發射應由不同機制產生,X 射線源自在強磁場中偏轉的電子同步輻射過程,這與地球人造粒子加速器產生明亮 X 射線的方法非常相似;但即使是宇宙中最強大的爆炸,也不太可能使電子加速到足以直接產生可觀察的超高能伽馬射線,相反地,必須是超快電子與同步輻射光子在不斷碰撞的過程中將能量提升至伽馬射線能級。

但對 GRB 190829A 餘輝的觀測表明,這兩者是由相同機制產生。

顯然我們對超高能伽馬射線暴餘輝還有不少功課要做。科學家對正在智利建設中的切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)寄予厚望,在探測伽馬射線暴方面,新一代儀器或能發現不一樣的細節。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(圖片來源:德國電子加速器

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