伽马射线暴的辐射机制细节揭示

2019-08-29 11:54:18 来源：科技日报

伽马射线暴一直以来被人们称为宇宙最强射线，然而关于它本身仍围绕着许多谜团。近日，俄罗斯下诺夫哥罗德应用物理研究所教授叶夫根尼·德里希夫和以色列耶路撒冷希伯来大学教授茨维·皮兰通过整合观测资料，揭示了伽马射线暴的辐射机制的细节。

此次发现源于日前探测到的GRB190114C，这是45亿年前遥远星系中的一次耀眼的爆炸。科学家利用位于西班牙的MAGIC大气切伦科夫望远镜首次探测到了伽马射线暴甚高能光子的辐射，并揭示了这些光子的辐射模型。

黑洞形成后的能量爆发

“伽马射线暴，又称伽马暴，是宇宙中一种伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。”南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉在接受科技日报记者采访时表示，伽马暴的时间不长，通常只有几十秒，能量主要来自伽马射线。伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波，是一种比X射线能量还高的辐射。

人类首次探测到伽马暴，是1967年美国Vela卫星在核爆炸监测过程中由克莱贝萨德尔等人无意中发现的。自此，伽马暴便成为了人们一直关注的焦点，几颗专用卫星随即发射用于探测伽马暴的起源。截至2015年，人们已经观测到了2000多例伽马暴。

伽马暴分为时间小于2秒的短暴与时间大于2秒的长暴。起源不同，伽马暴的性质就不同。目前科学界对这两类伽马暴的起源问题已经有了比较清楚的认知。

长暴一般被认为是在超大质量恒星耗尽核燃料时发生的。当恒星的核心坍缩为黑洞后，像喷泉一样的物质喷流以接近光速的速度向外冲出，这个过程就会产生伽马射线爆发。而短暴，研究人员认为，是由两个中子星碰撞产生的。当两个中子星碰撞时也会产生黑洞，像长暴一样，也有喷流以接近光速的速度向外冲出，进而形成伽马暴。

物理学家通过计算发现强大的伽马暴能够杀死一定范围内的宇宙生命。发生在4.5亿年前的奥陶纪大灭绝是地球五大历史事件之一，导致海洋物种数量急剧下降。有证据表明，这一巨变发生在冰河时代，而伽马射线爆发可能是触发此次大规模灭绝事件的原因之一。

来自早期宇宙的高能闪光

伽马暴之所以广受关注，是因为它的物理条件比较极端。一方面是伽马暴在短时间内释放的能量很大。“由于单位时间内释放巨大能量，伽马暴是宇宙中最明亮的爆炸，是来自外太空的短暂而强烈的高能辐射闪光。”王祥玉说。另一方面是喷流的速度特别快，接近光速。这些极端条件使伽马暴成为目前天文学中比较重要的研究领域之一。由于伽马暴形成于宇宙早期阶段，科学家们可以利用它来研究早期宇宙的性质。

此次探测到的GRB190114C伽马暴是一个长暴，形成于恒星坍缩。与此前探测的伽马暴不同，科学家从这次伽马暴中第一次探测到了甚高能伽马射线，最高能量达1012电子伏特的伽马射线，其能量是之前所有探测到的最高能量光子的10倍。

“以前探测到的伽马暴的光子能量相对比较低，这是电子同步辐射驱动的结果，也就是电子在磁场中旋转产生的辐射，这种情况比较常见。但是此次探测到的甚高能伽马射线光子，能量并不是来自同步辐射，而是来自电子的逆康普顿散射。”王祥玉说道。

所谓逆康普顿散射，是指高能电子与低能光子相碰撞而使低能光子获得能量的一种散射过程。因为发现了甚高能伽马射线来自逆康普顿散射，才使科学家们能够区分不同的发射模型。

王祥玉表示，虽然GRB190114C是第一个明确无误地探测到逆康普顿散射成分的伽马暴。但在这之前，他们就发现有一个伽马暴(GRB130427A)显示出逆康普顿散射的迹象，只是没有GRB190114C那么明确。现在，他们团队的一篇文章独立地提出了逆康普顿散射机制，并对GRB190114C多波段的数据进行了更严格和全面的解释，该成果已提交到预印本平台arXiv网站上。

据了解，我国国家重大科技基础设施—高海拔宇宙线观测站(LHAASO)也在致力探测伽马暴的甚高能光子，未来很有希望取得突破性进展。(陆成宽)

标签：伽马射线暴辐射机制