宇宙最極端的神秘閃光:能量一秒鐘內令整個星系黯然失色
據國外媒體報導,宇宙中充滿了明亮的光,跨越了整個電磁光譜。 儘管這些光絕大部分來自像太陽這樣的恆星,但我們也經常會看到一些短暫而明亮的閃光,甚至比整個星系本身還要亮。 其中一些最亮的閃光被認為是在劇烈變化的事件中產生的,比如大品質恆星的死亡,或者兩顆恆星殘骸——比如中子星——的碰撞。
長期以來,科學家一直在研究這些明亮的閃光,即所謂的”瞬變”(transients),以瞭解恆星的死亡和後續變化,以及宇宙的演變。
有時候,天文學家會遇到一些與預期不符的瞬變現象,這讓長期預測各種瞬變現象的理論研究者感到十分困惑。 2014年10月,在美國國家航空航太局(NASA)錢德拉X射線空間望遠鏡對南方天空進行的一項長期監測中,研究人員發現了被稱為CDF-S XT1的神秘瞬變,其明亮狀態可持續數千秒。 CDF-S XT1在X射線中釋放的能量相當於太陽在10億年多的時間里所釋放的能量。 自這項最初發現以來,天體物理學家已經提出了許多假說來解釋這一瞬變現象,然而直到現在仍沒有定論。
在最近的一項研究中,澳大利亞天體物理學家團隊發現,對CDF-S XT1的觀測結果與之前所預測的來自高速(接近光速)射流的輻射測相符。 這種「外流」只能在極端的天體物理條件下產生,比如一顆恆星被一個巨大黑洞撕裂並最終坍塌,或者是兩顆中子星的碰撞。
研究發現,CDF-S XT1所釋放的輻射很可能是兩顆中子星合併產生的。 這一發現使CDF-S XT1類似於2017年的一項重大發現:GW170817。 GW170817是鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座干涉儀(VIRGO)在當年8月17日觀測到的引力波事件,出自兩顆中子星的合併,而在此之前的數次引力波事件都出自於兩個黑洞的碰撞。 CDF-S XT1與地球的距離是GW170817的450倍,這個巨大的距離意味著這種合併發生在宇宙歷史的早期;這也可能是迄今為止觀測到的最遠的中子星合併。
發生碰撞並合併的中子星是宇宙中產生金、銀、鈈等重元素的主要場所。 由於CDF-S XT1在宇宙歷史的早期就出現了,因此這一發現將有助於加深研究者對地球化學豐度和元素的理解。
在更近的2020年1月,對另一個瞬變AT2020blt的觀測——主要是通過茲威基瞬態設施完成的——也令天文學家感到困惑。 該瞬變的光就像大品質恆星坍塌時高速流出的輻射。 這種外流通常會產生能量更高的伽馬射線,但這一次,它們從數據中消失了,沒有被觀測到。 天文學家推測,這些伽馬射線的缺失可能有以下三種原因:(1)伽馬射線並沒有產生;(2)伽馬射線的方向遠離地球;(3)伽馬射線太過微弱,以至於觀測不到。
在另一項研究中,表明AT2020blt可能確實產生了指向地球的伽馬射線,只是它們非常微弱,被目前的探測儀器忽略了。 結合其他類似的瞬變觀測結果,這種解讀意味著我們正開始理解這個謎團,即在整個宇宙的劇烈爆發事件中,伽馬射線是如何產生的。
這類明亮瞬變現象被統稱為伽瑪射線暴,包括CDF-S XT1、AT2020blt和AT2021any等,它們所產生的能量足以在一秒鐘內令整個星系黯然失色。
即便如此,對宇宙另一端所探測到的高能輻射還缺乏瞭解,其精確機制還是未知的,這兩項研究探索了一些迄今為止探測到的最極端的伽馬射線暴。 隨著進一步的研究,我們將能夠最終回答一個思考了幾十年的問題:伽馬射線暴究竟是如何發生的?
瞬變天文事件
瞬變天文事件是指持續時間極短的天文事件。 當然,為了區別天文學上最常遇到的動輒上億年的天文演變過程,持續時間從幾秒到若干年的現象都可能被稱為瞬變天文事件。 典型的瞬變天文事件包括超新星和伽馬射線暴等。 儘管這類現象一直受到天文學家的關注,但由於技術原因,對瞬變天文事件的研究直到近幾十年才有較大進展。
在望遠鏡被廣泛應用於天文研究后,儘管人們因此能夠看到更暗的天體,但由於望遠鏡較小的視場,且越大口徑的望遠鏡通常視場越小,使得發現亮度較低的瞬變天文事件依然十分困難。 近幾十年來,隨著望遠鏡技術的飛速發展,天文學家得以觀測到大量的瞬變天文事件。 著名的探測瞬變天文事件的設備包括帕洛馬瞬變設施、雨燕衛星、泛星計劃、卡塔娜莉瞬變源巡天等,以及瞬變源巡天專案包括茲威基瞬變設施和大型巡天望遠鏡等。