海外文摘——短时间γ射线暴




短时间γ射线暴
Stephan Rosswog 文 Shea 译
	在发现至今超过35年的时间里，γ射线暴（以下简称γ暴）始终是宇宙中最激动人心、最神秘的事件。γ暴是在全天γ射线背景中短时间的高能光子暴发。已持续时间2秒钟为界，可以把它们分为长时间γ射线暴（简称长暴）和短时间γ射线暴（简称短暴）。现在我们已经对长暴有了充分的了解，包括它在不同波段的余辉、红移、寄主星系以及与恒星形成区的成协性等等。与之形成对比的是，我们对短暴的认识还仅仅局限在γ射线波段。　　总体上讲，这两类γ暴可能有两种不同的前身星，或者它们有着相同的前身星，只是由于初始条件不同（例如初始的旋转不同）导致了两者的差异。不过可能性更大的是，这两种γ暴有着各自不同的前身星，因为它们在持续时间上有着本质上的不同。短暴有着比较硬的谱，也就是说短暴有着更多的高能光子，它峰值能量也比较高，而且它们随时间的演化也呈现出不同的形态。宇宙的膨胀以及中央引擎喷射物质的速度都会影响峰值能量的大小。因此如果在短暴中出现高峰值能量的话，这就意味着要么中央引擎产生了极高速的喷流，要么它距离我们比较近。统计分析则显示短暴有着相对比较近的距离分布。　　致密双星的并合——两个中子星的并合，或者是一个中子星和一个低质量黑洞的并合——长久以来一直被认为是γ暴的中央引擎。这一并合现象可以产生10⁵³尔格的能量，同时也可以解释γ暴的短时标特性。最近长暴与超新星的成协性已经被证实。致密双星的并合现在仅仅被认为是短暴的触发机制。 [图片说明]：一种可能的短暴触发机制。在中子星并合遗迹上，中微子-反中微子对的湮灭驱动了相对论喷流沿着双星原有的转动轴向外喷出。在此仅仅显示了上半平面，x轴位于原先的双星轨道平面内，深色的椭圆形区域是新形成的，在并合中可能会形成不稳定的大质量中子星。　　如果γ射线辐射仅仅来自高准直性的喷流，那么只有当喷流对准地球的时候我们才能观测到它，而且我们会错过绝大部分的爆发。这意味着短暴的发生率比我们观测到的要高很多。即使γ射线辐射具有极高的准直性，目前对致密双星并合概率的估计也足以解释所有的短暴。由于双星系统从诞生到最终并合要经历很长的时间，因此由致密双星并合产生的γ暴应该出现在宇宙相对较晚的时期。福莱（Fryer）等人估计在相同的红移处短暴的发生率是长暴的0.5-0.8倍，这为短暴的近距离特性提供了新的支持。　　一般情况下都假设，不管前身星系统是什么，它都会形成一个由电子-正电子对、光子和少量重子组成的“火球”。为了解释γ暴的能谱，最终的火球都必须达到极端相对论速度。唯一的可能是火球仅仅包含了10^-5个太阳质量的重子物质，否则只能形成非相对论喷流。　　是什么原因使得高温的并合遗迹在一定体积内可以积聚所需的能量，而又几乎没有重子物质呢？可能的解释是中微子-反中微子对的湮灭和磁过程。　　对并合的三维流体动力学模拟显示中微子湮灭可以在沿着原来双星转动轴的方向上驱动两束相对论喷流。只有喷流具有较高的准直性并且能够延伸到较远的地方时，这样相对论喷流中所包含的能量才能解释我们的观测。这一高准直性的喷流确实也存在着观测上的证据。　　一些与磁场有关的机制也会参与其中。最近对中子星并合的模拟确证了1992年邓肯（Duncan）和汤普森（Thompson）所提出的理论。两颗中子星的并合会在并合遗迹的中央形成一个（寿命可能很短的）超大质量中子星。由于它的高速自转以及它与其他物质在转动周期上的差异，使它成了一部发电机，可以把原先的磁场放大到3×10¹⁷高斯。这种“超脉冲星”可以产生短暂的极端相对论星风，其中包含的能量可以达到10⁵²尔格。如果这一理论是正确的，那么短暴的能量释放应该由两部分组成：一部分是由中微子-反中微子湮灭导致的相对较弱且具有较高准直性的喷流，另一部分是非准直性的由磁场构成的，这部分包含了更多的能量。　　为了对短暴的中央引擎有更好的了解，我们必须在其他波段上对它进行观测。在我们第一次观测到长暴的余辉之后，我们对长暴的认识有了革命性的飞跃。希望今年发射的SWIFT卫星能帮助我们探测到短暴的余辉。这些观测可以确定短暴是否真的发源于比较近的区域，说不定还能解释短暴到底是什么，它是否像长暴一样也与恒星形成区成协，或者出现在星系的其他地方，例如星系的外围。　　短暴起源于双星系统的决定性证据将会来自地面上的引力波探测器，例如LIGO或者GEO600。一个并合中的双星系统会发出独特的引力波。如果在γ暴发生的同时探测到引力波，那将会是在γ暴研究中具有里程碑意义的。
出自：Science 发布日期：2004-01-02

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