海外文摘——γ射线暴的一年




γ射线暴的一年
Robert Irion 文 Shea 译
	2005年的多个γ射线暴（以下简称γ暴）使得天体物理学家瞄准了银河系内外的中子星以及最为遥远的暴发。　　如果你在适当的时候遇到一些高能天体物理学家，其中大多数会承认他们会像小孩儿一样喜欢炸坏某些东西。而今他们喜欢更大规模的爆炸——暴发。事实上，2005年是这一领域在过去10年中最具有爆炸性的一年。　　望远镜一个接一个的捕捉到令人惊愕的暴发，从2004年底银河系中超强磁场中子星的暴发，到遥远星系中中子星—中子星或者中子星—黑洞碰撞所产生的瞬间暴发，再到发生在宇宙刚诞生10亿年标志着巨星死亡的最遥远暴发。　　这些发现对于2004年11月发射的NASA的γ射线暴快速反应探测器（Swift）而言，2005年是令人赞叹的一年。其他卫星以及不断壮大的地面望远镜——包括许多程控系统——和Swift一起从γ射线、X射线、光学、红外以及射电波段来观测γ暴及其寄主星系。　　它们的观测，尤其是对中子星暴发的观测，为我们了解这些暴发提供了生动的画面。德国布莱梅国际大学的史蒂芬·霍斯温格（Stephan Rosswog）说：“我们为此已经等了很多年了。”在怀疑是否能捕捉到这些瞬间的暴发数年之后，观测天文学家也同样感到震惊。“如果你能让你的望远镜高速指向某个目标，那么你就能获知与产生这些暴发有关的惊人信息，”哈佛史密松天体物理中心（CfA）的射电天文学家布莱恩·加斯勒（Bryan Gaensler）说。长、短γ射线暴　　在Swift和望远镜观测到的所有γ暴中，短时间γ射线暴（以下简称短暴）在去年大出风头。这些持续时间仅有几分之一秒的γ暴已经困扰了我们35年。“对于理论家而言，这曾经是一块开放的领域，”卡内基天文台的哈勃博士后研究员埃多·伯格（Edo Berger）说，“然而在2、3个月内我们就解决了与之有关的核心问题，这实在是太惊人了。” 　　天体物理学家认为短暴的源和持续几秒到几分钟的长时间γ射线暴（以下简称长暴）的源是截然不同的。几年前，研究表明长暴源于大质量恒星的自转核心坍缩成黑洞。γ射线束从星体中射出，在可见光波段恒星则爆炸成明亮的超新星。但是这一复杂的过程太长无法解释短暴。　　为了解释这些暴发，天体物理学家看好中子星间的快速并合，它们会在短时间内形成黑洞。两颗中子星碰撞的模型和短暴的观测数据相一致。而且天体物理学家已经在银河系中发现了中子星双星，并且发现它们的轨道正在缓慢的收缩。在其他星系中的猛烈碰撞看来也是不可避免的。 [图片说明]：接触。在并合的那一刻，两颗中子星在形成新的黑洞之前会释放放出γ射线喷流和引力波。　　2005年望远镜捕捉到了几个这样的暴发，它们提供了致密星并合的证据：以γ射线暴为主，没有伴随的超新星爆发，以及释放的能量仅有长暴的0.1%—1%。在4个被详尽研究的事件中有3个短暴出现在老年星系的边缘，那里至少在20亿年前就没有恒星形成了，那里的超新星爆发也早就停止了，但是由此产生的中子星仍在缓慢的相互靠近。由NASA的高能暂现探测器2于7月9日发现的第4个短暴出现在一个完全不同的地方：一个仍有恒星形成的矮星系中。但是理论家仍然认为，它源于相同的碰撞。因为如果一开始就靠得很近，那么一些中子星——包括银河系中的双星——就会快速并合。　　大学的新闻中心以及NASA都宣布致密星双星并合“解决”了短暴之谜。但是许多天体物理学家主张保持克制。“每个人跳上了中子星并合的游行花车，但是也许还有其他的物理原因，”Swift的首席科学家、NASA戈达德宇航中心的尼尔·盖瑞斯（Neil Gehrels）说。　　其中另一个解释就是有一部分短暴来自中子星和黑洞的并合。模型显示这些暴发会有明显的不同特征：几分钟后出现的X射线暴发，此时黑洞正在吞噬由于强大潮汐力而被撕开的中子星碎片。Swift在7月24日发现的一个短暴就伴随有这样的暴发，使得NASA宣布发现了黑洞—中子星并合事件。　　但是这并不是对这一事件的唯一解释。普林斯顿高级研究所的理论家安德鲁·迈克法蒂安（Andrew MacFadyen）及其同事提出，中子星可以通过吸积伴星的物质，形成一个大质量天体进而坍缩成黑洞。这一坍缩过程会引发短暴，以及由于爆震波在几分钟后轰击伴星而产生的X射线暴。　　盖瑞斯说，单就几个短暴就宣称它们源自黑洞或者其他的源显得很空洞。“我们认为中子星—中子星并合是最普遍的，”他说，“但是只有当我们观测到其中的10到100个，我们才会知道是否真的如此。” LIGO整装待命　　对短暴的引力波观测可以平息一切的争论。爱因斯坦的广义相对论预言，中子星或者黑洞双星会扰动时空结构，进而产生引力波。由此产生的引力波波形依赖于两个天体的质量、它们轨道的偏心率以及我们的视角。霍斯温格说，对于γ暴的引力波探测可以“真正揭开致密星双星的本质”。　　而且，天体物理学家可能已经拥有了探测引力波的工具。两个激光干涉引力波天文台（LIGO）已经达到了计划第一阶段预期的灵敏度，2006年全年将用于数据搜集。　　麻省理工学院的物理学家大卫·苏梅克（David Shoemaker）说，以现在的灵敏度，LIGO可以探测到3千万光年远的中子星并合。如果视角合适，这个距离可以拓展到7千万光年。如果双星包含黑洞，那么这个距离可以更远。“我们非常乐观，”苏梅克说，“毫无疑问我们正处于可能探测到新事物的全新领域。” 完美磁暴　　尽管从技术角度上讲并非是2005年发生的事件，但是2004年12月27日发生在银河系另一端的一次与众不同的暴发却占据了去年有关短暴讨论的很大篇幅。这次不同寻常暴发暗示我们许多γ暴会出现在较近的星系中——会出现在截然不同的源中。　　这次暴发来自距离我们50000光年的一个源SGR 1806-20，它是一颗具有已知最强磁场的中子星。其他的“强磁星”在1979年和1998年也发生过暴发。但是12月份的这次暴发震惊了天文学家。即便是在如此遥远的距离上，它还是比任何太阳暴发都要亮。几乎每个轨道探测器都探测到了来自它的γ射线和X射线。一些卫星上指甲大小的粒子计数器都处于高位，说明这次暴发在0.2秒内所释放的能量相当于太阳在25万年里所释放能量的总和。 [图片说明]：一个细长的射电星云包裹着一颗在2004年12月猛烈爆发的磁星，这一爆发源自超强的磁场。　　这次暴发的有关特征和20世纪90年代德克萨斯大学的罗伯特·邓肯（Robert Duncan）以及加拿大理论天体物理研究所的克里斯托福·汤普森（Christopher Thompson）提出的强磁星模型相一致。按照他们的理论，中子星的内部充满了由于早先自转而导致的扭结的磁场。由SGR 1806-20的巨大暴发推测，磁场的强度可以达到10^16高斯——是邓肯先前认为的3倍，是绝大部分中子星磁场强度的1万到10万倍。随着时间的流逝，磁力线会慢慢伸直并且向表面扩散，迫使中子星磁化的壳层移动。当这些移动变得极为剧烈的时候，整个表面就会碎开。突然出现的外部磁场与内部磁场混合形成新的磁位形，磁张力的爆炸性释放就会触发γ射线以及其他波段的暴发。　　但是天文学家对爆震波还有争论。观测显示强磁星周围的星云正在以30%的光速向外膨胀。高分辨率的射电观测显示，存在由加速粒子所产生的延展发光云。“与预期的相反，暴发并没有波及整个星体，”CfA的布莱恩·加斯勒说，“物质可能是从一侧向外抛出的或者集中在喷流中。”加斯勒及其同事计划于2月4日使用甚大阵的27架望远镜来仔细研究这个星云的形状。　　但是证据显示，暴发的绝大部分能量并没有集中在这一侧的粒子流中。邓肯说，暴发的初始能谱与20亿开的黑体谱非常接近，“为了实现这一点，你需要仅有少量物质参与的、干净的磁重联能源。” 　　理论家荣格·巴拉德福特（Roger Blandford）就12月27日的暴提出了自己的见解。加州卡利粒子天体物理和宇宙学研究所所长巴拉德福特说，强磁星的外部磁场一开始可能是“烟圈”形的。“如果你突然释放这个受限制的磁场，它会像电磁炸弹一样以相对论速度向外膨胀。期间一些等离子体会产生γ射线，但是绝大部分都是磁场，”他补充说，面包圈形的磁张力可以很好的解释观测到的星云形状。　　强磁星暴发还重新激发了对Swift以及其他γ射线卫星所观测到的其他星系中的短暴的兴趣。加州大学伯克利分校的天文学家约舒华·布鲁姆（Joshua Bloom）说，尽管SGR 1806-20的暴发源自一颗孤立的中子星，但是它对于由中子星并合所产生的暴发来说具有一张更为怪异的面孔。“如果你用你的眼睛斜视，它们看起来几乎是一样的。”唯一的不同之处是，天文学家可以分辨出银河系中暴发的更多细节，例如中子星壳层震动所引发的X射线振荡。 [图片说明]：捕获γ暴。Swift卫星在工作的第一年就捕获了许多γ暴，其中还包括了迄今所知的最远的两个γ暴。　　天体物理学家认为2005年11月3日出现在一个邻近星系群中的短暴也是磁星暴发。加州大学伯克利分校的天文学家凯文·贺雷（Kevin Hurley）管理着探测这些暴发的太阳系探测器网络，他相信河外磁星暴发制造了短暴中的1/6-1/5。　　一个英国的小组，通过检查NASA康普顿γ射线天文台在1991年到2000年间的短暴观测数据，也得出了相同的结论。英国海特福德郡大学的天文学家尼尔·唐维亚（Nial Tanvir）发现了康普顿卫星发现的500个短暴与3亿光年内星系位置之间有一定的相关性。这个小组在12月15日出版的《自然》杂志上撰文报告，尽管这些“近距离”星系只是宇宙中所有星系的一小部分，但是它们却制造了康普顿所观测到的10%-25%的短暴。这预示磁星暴发——而不是罕见的中子星碰撞——确实解释了邻近星系中的绝大部分短暴。　　对于巴拉德福特而言，SGR 1806-20是这一时期格外精彩的暴发。“这是一次罕见的暴发，”他说，“我们很幸运有这么多的望远镜看到了它。” 巨大而光明的希望　　2005年早些时候的其他暴发就没有如此的运气了，这些暴发都发生在星系形成的时期。Swift已经观测到了其中的2个。最值得注意的是发生在9月4日的源于恒星死亡的暴发，当时的宇宙年龄仅有9亿年。8月14日的γ暴被研究的比较少，但是它也可以追溯到宇宙年龄为11亿年时。　　天体物理学家和宇宙学家都垂涎发生在宇宙早期的γ暴。天体物理学家希望这些暴发能为他们提供大爆炸之后几亿年就存在的恒星的有关信息。第一代恒星被称为“星族Ⅲ”，仅仅由原初的氢和氦所组成。这些恒星制造了碳、氧以及更重的元素，例如铁，启动了延续至今的宇宙化学演化。模型显示星族Ⅲ恒星的质量至少是太阳的100倍——足以演化成超新星。但是，星族Ⅲ恒星的物理环境也许会抑制垂死恒星的γ暴。　　一个障碍就是星族Ⅲ恒星的氢包层。气体就像是一张毯子，它会阻碍喷流，使得喷流无法在恒星核心坍缩的时候喷出。新的研究显示，还有一条出路：按照德克萨斯大学天体物理学家沃尔克·布隆（Volker Bromm）和CfA的阿伯拉罕·洛伯（Abraham Loeb）的计算，如果双星中的伴星可以剥离包层中的大部分物质，那么γ暴还是有可能发生的。　　布隆和洛伯认为Swift的探测器可能还不够灵敏来探测宇宙年龄在2-5亿年间星族Ⅲ恒星所产生的γ暴的暗弱辐射。但是如果星族Ⅲ恒星的形成能再持续几亿年的话，Swift也许就能探测到它们了。“无论Swift看到什么，它们都将帮助我们建立更好的恒星形成历史的模型，”布隆说。　　由于不同的原因，宇宙学家也是Swift的疯狂追随者，因为γ暴是早期宇宙的理想探测器。“在短时间里，它们比在相同距离上的类星体还要亮得多，”芝加哥大学天体物理学家唐纳德·兰伯（Donald Lamb）说，“它们是宇宙学巨大而光明的希望。”就像是探照灯，γ暴会照亮它和地球之间的物质。特别地，宇宙学家渴望了解最早期的恒星以及星系所发出的辐射是怎样电离年轻宇宙中的物质的。每个遥远的γ暴都会暴露一段宇宙成长的历史，兰伯说。　　兰伯非常乐观，Swift观测到的γ暴大约10%可以追溯到宇宙的最初10亿年。他认为一些暴甚至可以揭开大爆炸之后5亿年星系形成的环境。但是为了研究这些潜在的科学，地面上最大的望远镜必须要在γ暴变弱之间观测到它们。但是这一点目前还无法做到：对于9月4日的γ暴，日本8.2米的昴星团望远镜花了3.5天来搜集边缘数据。“我们必须使得一切井井有条，”兰伯评论说。　　然而，Swift所取得的成就是毋庸置疑的。对于一个花了127.7亿年时间穿越宇宙的γ暴而言，Swift及其望远镜伙伴捕捉到了这个来自有史以来最遥远恒星的暴发。
出自：Science 发布日期：2006-01-06

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