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揭开历史上最亮的“宇宙烟花”秘密

静夜思网2024-03-28 19:05:07【休闲】0人已围观

简介科技日报记者 都芃。大约20亿年前,一颗相当于太阳质量20倍的恒星在燃烧自己的燃料后即将“熄灭”。它的坍缩瞬间爆炸形成了一个巨大的火球,耀眼的“火”持续了几百秒,就像一个巨大的宇宙烟花。经过

科技日报记者 都芃。宇宙烟花

大约20亿年前,揭开一颗相当于太阳质量20倍的历史亮恒星在燃烧自己的燃料后即将“熄灭”。它的上最坍缩瞬间爆炸形成了一个巨大的火球,耀眼的秘密“火”持续了几百秒,就像一个巨大的宇宙烟花宇宙烟花。

经过漫长的揭开旅程,这次爆炸形成的历史亮伽马射线暴(以下简称伽马暴)终于到达地球。同时,上最位于四川省稻城县海子山的秘密高海拔宇宙线观测站(又称“拉索”)睁开了大大的“眼睛”,目睹了人类观察到的宇宙烟花历史上最亮的伽马暴力。6月9日,揭开“拉索”合作组在《科学》杂志上发表文章,历史亮揭露了历史上最亮的上最伽马暴背后的秘密。

像教科书一样观察“后续爆炸”。秘密

伽马暴是伽马射线在宇宙某一方向上瞬间增强的现象。伽马暴力并不常见,但伽马射线离我们的生活并不遥远。伽马射线作为一种波长极短、穿透力强、携带高能量的原子核射线,广泛应用于生活中。例如,在癌症放疗中,医生经常使用高通量的伽马射线来杀死癌细胞。

然而,从宇宙深处到达地球的伽马暴早已失去了这样的“力量”。伽马的巨大辐射面积大于数百个银河系。此外,它与地球上数十亿光年的距离使得它们的光子通量在到达地球时几乎没有剩余。只有使用最精密的仪器才能观察到它。

伽马暴根据持续时间长短分为长暴和短暴。长暴持续2秒以上,最长可达数千秒,通常被认为是核心坍缩爆炸后大质量恒星产生的。历史上最亮的伽马暴是长暴。短暴力持续时间小于2秒,最短的只能毫秒计算,通常来自两个极端致密的天体,如中子星和黑洞,这通常伴随着引力波。

伽马暴之所以被称为“宇宙烟花”,是因为它在短短几秒钟内释放的能量可能比太阳100亿年生命中释放的总能量多。自1967年第一次观察伽马暴以来,人类已经探测到了近万例伽马暴。在这万例伽马暴中,这次观察到的伽马暴是独一无二的。它释放的能量不仅高于之前观察到的伽马暴,还产生极其狭窄、极其明亮、接近光速运动的喷流。科学家将其评为“千年一遇的重要天文事件”。

此外,“拉索”合作组还首次准确观察了伽马暴“随后爆炸”的完整过程。伽马暴的过程可分为“主爆”和“后续爆炸”。南京大学教授王祥宇告诉记者,在爆炸初期,爆炸后的投射物是喷射结构,但投射物的速度有快有慢。”当慢物质被快物质赶上时,喷射结构内部发生碰撞,导致“主爆炸”。”。

“主爆炸”发生后,爆炸产生的物质将继续向外扩散,进一步接触外部环境中的物质,然后产生新的爆炸,即“后爆炸”,也被称为“余辉”。“在此过程中,激波会加速电子,并在磁场中发出同步辐射光。高能电子通过与同步辐射光子的碰撞将能量传递给光子,从而产生高能光子辐射。王祥玉介绍道。

“拉索”是世界上第一次探测到高能光子在“后爆炸”过程中的上升过程,从而实现了对“后爆炸”的完整观测,实现了高能波段光变过程的教科书记录,为伽马暴理论模型的准确检验奠定了坚实的实验基础。

“拉索”看到了喷流的核心。

伽马暴的亮度是之前最亮的伽马暴的几十倍多,过高的光子流量甚至使许多国际实验的探测器饱和。在“拉索”探测到的视场范围内,收集了6万多个高能伽马光子。若将选择条件降到最低,光子数甚至可达10万。

为什么这么亮?这是许多研究人员在伽马暴力后观察到的问题,也是“拉索”合作小组研究的主要答案之一。

王祥玉向记者展示的“拉索”观测到的光变曲线图显示,曲线的头部和尾部非常“陡峭”,这意味着在观测的开始和结束时,光子亮度发生了巨大的变化。

头部的“陡峭”曲线表明,到达地球的光子变得非常明亮。在不到2秒的时间里,“拉索”收到的光子亮了100多倍,超出了之前伽马暴理论模型的预期。

根据以往理论模型的假设,高能光子流量在“后爆”过程中的增长应该相对缓慢和稳定。对于这一现象,王祥玉提供了一个可能的理论解释,“余辉”喷射能量,后续没有能量,但中央天体的“发动机”可能会重新启动,为后续喷射注入新的能量。”。

光变曲线的尾部也“陡峭”。“拉索”合作组发现,在爆炸开始后不到10分钟,“拉索”收到的光子亮度突然迅速减弱。“这可以解释为,当辐射张力角扩展到喷射边缘时,爆炸后的抛射物是喷射结构,导致亮度迅速下降。王祥玉说。

辐射张角只有0.8度,面向地球。因为这个亮度转弯发生得很早,这意味着“拉索”实际上是典型的内外暗喷流的核心,相当于人类用眼睛直视一束光的中心光源。这也解释了为什么伽马暴是“历史上最亮的”,也凸显了这次成功观察是千年难得的“宇宙级幸运”事件。

完善伽马暴理论“拼图”。

“拉索”并不是世界上第一个观测到高能段“随后爆炸”的观测设备。在“拉索”建成投入观测之前,世界其他地区的观测设施在2018年成功观测了多次高能光子的“后续爆炸”。

“我还是觉得很后悔,没有赶上。中国科学院高能物理研究所研究员姚志国告诉记者,虽然他没有赶上之前的观测机会,但由于“拉索”对高能伽马暴力观测的绝对优势,“拉索”观测到了其他观测设施之前没有看到的“随后爆炸”上升阶段。“之前上升阶段的高能伽马暴只存在于理论上,从未见过。“拉索”的成功观察,可以说完善了伽马暴相关理论的最后一个“拼图”。王祥玉对“拉索”的观测结果给予了高度评价。

但是这个“拼图”上还是有“模糊”的地方。例如,“后续爆炸”中高能光子快速上升的形成机制仍然需要最终的理论解释。

然而,借助这一日益完整的理论“拼图”,研究人员可以深入探讨伽马暴形成机制中存在的几个问题。例如,学术界认为有两种可能的组成,一种是由传统物质组成的,另一种是高度磁化的伽马暴喷流,能量组成是电磁波而不是物质。

姚志国指出,下一个可能取得重大突破的伽马暴观测研究方向是短暴。王祥玉还认为,如果能在离地球很近的地区发生短暴,也有可能观察到高能光子辐射。这也取决于“拉索”。“‘拉索’在观测短暴方面也有优势,短暴发生时间很短,不到2秒。如果你用望远镜观察,收到警告后转身肯定太晚了,大视场的“拉索”可以24小时观察,不会错过“美好时刻”。姚志国介绍道。

除了对伽马暴本身的深入研究外,“拉索”收到的大量光子也可以为其他研究提供重要的参考。姚志国的一个“拉索”团队正在利用大量的光子数据来验证狭义相对论的基本原理。狭义相对论认为,同时发出的不同能量的光子到达观察者的时间应该是一致的,即光速不变性。其中,洛伦兹不变性是狭义相对论的基本假设。一般来说,这意味着非加速物理系统在洛伦兹变换过程中不会改变相关的基本物理规律。量子引力理论等一些大型统一理论模型认为,在非常高的能量下,光速会随着能量的变化而变化,即洛伦兹不变性会破裂。要准确检查光速不变性,需要获得能量更高、时间延迟更短、距离更远的高能光子。借助“拉索”对伽马暴的观测数据,研究人员有望对洛伦兹不变性破缺的部分参数给予最强限制。

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