超越可見光天文學家揭開伽馬射線暴的秘密
約瑟夫-什克洛夫斯基(Joseph Shklovsky)是現代天體物理學的先驅之一,他認為恆星的存在是兩種相互衝突的力量之間的永恆鬥爭:努力縮小恆星的引力和努力分散恆星的氣體壓力。當恆星內核的熱核反應停止時,恆星就失去了維持平衡的能力,開始坍縮成一個單點。
質量超過太陽十倍的恆星會發生大爆炸,變成黑洞,並伴隨著可通過太空望遠鏡探測到的短暫而不可預測的伽馬射線暴。對這些爆發及其相關光學輻射的詳細研究,如2021 年的GRB 210619B 所見,為了解這些恆星爆炸的運作及其產生的條件提供了寶貴的數據。
當恆星的質量超過太陽質量的10 倍時,這種情況就會導致內核收縮,外殼爆炸性破裂。這將導致銀河系規模的超強爆炸。質量最大的恆星就是這樣變成黑洞的。
這些爆炸伴隨著強烈的伽瑪射線暴–一種光子流,其能量比我們熟悉的可見光量子大幾百萬倍。
伽馬射線暴是一個極其短暫的事件,持續時間從幾分之一秒到幾百秒不等,而且無法預測。我們無法預測伽馬射線暴在天空中的準確位置和準確時間。此外,由於地球大氣層會阻擋伽馬射線輻射,伽馬射線暴只能通過太空望遠鏡探測到。
伽馬射線暴從20 世紀60 年代末開始被記錄。多年來,科學家們只記錄到人眼看不到的伽馬射線輻射。然而,有人認為這些伽馬射線暴可能伴隨著從地球上可以觀測到的光學輻射。事實上,1999 年1 月23 日首次觀測到了這種輻射。
為了能夠快速探測到光學輻射,科學家們開發了機器人望遠鏡,能夠直接從爆發地點收集實時數據。2021 年6 月20 日,位於捷克共和國和西班牙的望遠鏡以及位於北高加索地區、由喀山聯邦大學擁有的俄羅斯Mini-MegaTORTORA 系統觀測到了GRB 210619B,這是迄今為止記錄到的最強大的伽馬射線暴之一。這些望遠鏡在伽馬射線閃光28 秒後開始記錄發光餘輝。通過三台望遠鏡同時獲取的數據,可以重建光曲線的整體形狀、不同時間的光學光譜斜率以及光學輻射的早期多波段演變。
“我們很幸運。首先,我們觀測到了相當明亮的餘輝。其次,我們通過頻繁捕捉圖像,以高時間分辨率觀測到了余輝。第三,我們獲得了有關光輻射光譜的信息。在Mini-MegaTORTORA 系統中,我們可以同時使用一組光學濾光片進行觀測,包括藍色和可見光(黃綠色)。換句話說,我們不僅測量了整體亮度,還測量了特定單色顯示的亮度。”這項研究的合著者、HSE 物理系副教授Anton Biryukov 說:”這是一個罕見的、幾乎獨一無二的案例。”
有了包括光學範圍在內的各種波段輻射的詳細數據,就有可能確定與光學輻射起源區域的伽馬射線暴相關介質的物理參數。”研究小組獲得的大量數據集使我們能夠研究伽馬射線暴現象的內部運作。科學家解釋說:”這就好比用外科手術解剖伽馬射線暴,窺探其內部機制:檢查運動中的粒子、粒子的能量水平、周圍介質的密度以及相關磁場的特徵。”
研究報告的作者得出結論,在伽馬射線暴期間觀測到的發光現像是由高能帶電粒子的運動引起的,這些粒子在以強大磁場為特徵的稀薄介質中表現出幾乎與光速無異的速度。
“伽馬射線暴就像來自早期宇宙的信標。我們在幾十億光年的距離上記錄這些現象。”比留科夫解釋說:”這些罕見的來源讓我們有機會了解數十億年前恆星的運行情況以及它們的存在是如何結束的,探索包裹它們的星際環境,比如星際氣體的成分和數量,以及它們是如何與恆星噴出物相互作用的。”
但是,研究伽馬射線暴不僅能擴大我們對最大規模遙遠恆星的了解。從基礎物理學的角度來看,伽馬射線暴是一個天然的物理實驗室,它展現了可以想像到的最極端的條件,包括超高的能量、速度、密度和引力。正是在這些狀態下,科學家們可以檢驗人類現有的物理理論。