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長短兩類伽馬射線爆形成原因分別是什麼﹖
本帖最後由 jiunn36 於 2024-2-19 12:23 AM 編輯科學家們將高能輻射爆炸追溯到兩顆中子星的碰撞和劇烈合併導致的千新星爆炸(kilonova)。這一發現可能會改變有關宇宙大爆炸起源的理論。「對於天文學中的伽馬射線暴來說﹐這一事件標誌著令人興奮的模式轉變﹐」組織這項研究的西北大學(Northwestern University)物理與天文學系博士生吉莉安·拉斯提內賈德(Jillian Rastinejad)在一份聲明中說道。
這一事件是一個令人驚喜的範例﹐它代表著天文學中的伽馬射線暴向著令人興奮的模式轉變。2021年12月在11億光年外探測到強大的50秒高能輻射爆炸﹐稱為長伽馬射線暴(GRB)﹐帶動著天體物理學家們去尋找它的低能量餘輝。當一顆大型恆星死亡(坍縮)時會觸發強烈的爆炸﹐長時間的長伽馬射線暴餘輝發出令人難以置信的光亮但又迅速消失的光爆﹐這通常預示著超新星(supernova)的誕生。但是在這個名為GRB 211211A的GRB案例中﹐研究小組發現餘輝之後出現了千新星(kilonova)﹐這是一種罕見的宇宙爆炸的現象﹐它被認為是只有在中子星(爆炸恆星的密集殘餘物)與另一顆中子星或黑洞合併時才會發生。這一系列事件的研究可能會推翻這樣的理論﹐即長伽馬射線暴只能是由巨大的恆星在其核燃料燃燒壽命結束時的坍縮產生的。
此外﹐由於存在這樣一種猜測﹐中子星的合併會形成宇宙中較重的元素﹐如黃金﹐這一發現可能有助於揭示重金屬是如何以及在何處形成的。
「這一事件看起來與我們以往觀測到的長伽馬射線暴的現象都不相同﹐」拉斯提內賈德(Rastinejad)說。「它的伽馬射線與大質量恆星坍縮時產生的爆發很相似。根據我們以往觀察到的所有其他已確認的中子星合併都伴隨著持續時間不到兩秒的爆發﹐我們完全有理由認為這個50秒的GRB是由一顆大質量恆星的坍縮產生的。
但事實證明﹐這一次不是如此。「相反地我們的發現非常不同﹐」資深研究員﹐西北大學物理與天文學系研究人員說道「當我15年前進入這個領域時長伽馬射線暴來自巨大的恆星坍縮是一成不變。這一意想不到的發現不僅僅代表了我們理解上的重大轉變﹐而且還令人興奮地為該領域的研究打開了一扇新的窗口。
被認為是宇宙中最亮﹑最具能量的爆炸﹐伽馬射線暴(GRBs)傳統上分為兩個等級﹕持續時間少於兩秒的伽馬射線暴被認為是短伽馬射線暴﹐持續時間較長的伽馬射線暴被歸類為長伽馬射線暴。以往短伽馬射線暴與中子星合併有關﹐但這類合併已被排除是長伽馬射線暴的起源﹐只因為這些密集堆積的恆星殘骸其質量接近太陽或稍大一些被認為擁有的物質太少﹐無法為這種爆炸提供動力。
因此﹐科學家們認為在以兩秒為分界線的長短兩類能量爆炸一定有著不同的起源。
巨型恆星的坍縮被假定為長伽馬射線暴的原因﹐因為這些巨大的恆星的質量相當於數十個甚至數百個太陽。當這些恆星核聚變燃料耗盡時向外的壓力對抗向內的重力的平衡停止了。這導致大量的這種物質向內湧去﹐產生並餵養一個新生的黑洞和以超新星為標誌的爆炸。剩餘的物質被這個黑洞的磁場抓住並以接近光速的速度發射到太空中﹐從而為長伽馬射線爆提供動力。
「當你把兩顆中子星合併在一起時﹐那裡的質量並不大﹐」研究人員說。「一小部分的質量吸積﹐然後為非常短的爆發提供動力。習慣上在大質量恆星坍縮的情況下為更長的伽馬射線暴提供動力需有更長的餵食時間。起初研究人員並沒有懷疑50秒的GRB 211211A有任何異常或任何可能改變這些起源理論的東西。對於這樣的事件來說﹐在距離地球11億光年的地方發生長伽馬射線爆相對更接近我們﹐這使得研究小組能夠用一系列望遠鏡和各種波長的光來研究它。
當研究人員發現了一種微弱的物質﹐在近紅外圖像中迅速褪色。由於超新星不會迅速褪色﹐而且比這個物質亮得多﹐天文學家們意識到他們發現了一些意想不到的東西。「夜空中的很多物質會迅速褪色﹐」研究人員說「我們用不同的濾鏡對圖片來源進行成像從而得到顏色信息﹐這有助於我們確定圖片內容的身份。」根據一份報告﹐一項附加的研究被發表在第二篇論文中﹐它使用建模來分析此次事件並確認這種信號與千新星相匹配。
長伽馬射線爆似乎是由中子星合併的千新星觸發﹐這並不是伽馬射線爆GRB 211211A唯一不尋常的地方﹐對於這類事件以往的的知識表明它在錯誤的星系類型中。高能爆炸被追溯到一個名為SDSS J140910.47＋275320.8的年輕且相對較小的恆星形成星系。這個星系的特徵幾乎與本區域宇宙(the Local Universe)/(本區域宇宙就是以地球為坐標系觀測宇宙的尺度。據觀測﹐本區域宇宙直徑2.46 × 10E25米。)中唯一已知的另一個中子星合併宿主星系的特徵完全相反﹕NGC4993﹐一個巨大的「紅死」宿主星系。
「這個星系相當年輕﹐正在活躍地形成恆星﹐且實際上並沒有那麼大﹐」研究人員談到SDSS J140910.47＋275320.8。「事實上﹐它看起來更像是宇宙深處看到的短伽馬射線爆宿主。」現在天文學家們對於探索有了更好的想法﹐研究人員認為﹐當天文學家們找尋附近的千新星時應當變換天文學家觀察的星系類型。
「千新星是由宇宙中一些最重元素的放射性衰變提供的動力﹐」拉斯提內賈德補充道。「但是千新星很難觀察到﹐而且很快就會消失。現在﹐我們知道我們也可以利用一些長伽馬射線暴來尋找更多的千新星。這一發現還可能改變天文學家們尋找鉑和金等重元素的方式﹐因為目前這些元素的產生跡象尚不明確。建模工作表明﹐一次像這次這樣的事件會產生大量的重元素。
英國伯明翰大學天體物理學家馬特·尼科爾(Matt Nicholl)在一份聲明中表示﹕「我們發現﹐這一事件產生的重元素約為地球質量的1000倍。這支持了這樣一種觀點﹐即這些千新星是宇宙中生產黃金的主要工廠。」詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(Webb或JWST)於7月開始將圖像傳回地球﹐它可能有助於在爆炸後的餘波中追蹤到此類特徵。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以捕獲包括不同元素指紋的遙遠天體的光譜。因此天文學家使用太空望遠鏡可以最終確定重元素的產生地點。事實證明﹐這項任務對地球上最複雜的望遠鏡來說仍具有太大的挑戰性。「不幸的是﹐即使是最好的地面望遠鏡也不夠靈敏﹐無法顯示光譜。」拉斯提內賈德說。「有了韋伯太空望遠鏡﹐我們本可以獲得千新星的光譜。這些光譜線會提供直接證據﹐證明你已經探測到了最重的元素。」。
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