追踪γ射线暴
Robert Irion　著　Shea　译

就在两个γ射线暴发生之后几分钟，地面上就观测到了光学余辉，这为我们了解宇宙中最猛烈的暴发展现出了美好的明天。

　　机器人虽然还无法从事世俗的工作——例如修剪草坪或者洗袜子——但是它们却可以向你展现宇宙中的壮观景象。天文学家已经把程控望远镜用于巡天，借此来寻找来自深空的、短暂而巨大的高能暴发——γ射线暴（以下简称γ暴）。在经历了几年的努力之后，现在这些程控望远镜带来了惊人的结果。

　　去年晚些时候，一颗X射线卫星向互联网预警系统发布了两个γ暴的位置。在几分钟内，地面上的程控望远镜就对准了这两个目标，并且拍摄到了低能光学波段的余辉照片。这两次观测——分别是有史以来的第二和第三快的观测——向我们展示了惊人的结果，一个不同寻常的长时间暴发和一个极为短暂的暴发。

　　“这就是这两个暴发之间的不同之处，”麻省理工学院（MIT）的天体物理学家乔治·瑞克（George Ricker）说，“现在人们意识到，对γ暴最初几分钟的观测对于解释这一差异是多重要。”

　　天文学家相信所谓的长暴——持续几秒钟到几分钟——源自大质量恒星坍缩成黑洞时所形成的粒子流和能量释放。理论模型预言在沿着恒星（坍缩星）自转轴的方向会形成窄喷流，同时γ射线会沿着喷流向外传播。“这也许是宇宙中最快的物质运动，”宾西法尼亚州立大学（PSU）的天体物理学家张冰（Bing Zhang）说。其中只有在一小部分暴发中所形成喷流指向了地球，进而形成了γ暴；其他的则看上去像普通的超新星暴发。

　　按照主流理论，当喷流撞击到暴源周围的气体或者尘埃时就会形成余辉。PSU的天体物理学家彼得·麦扎洛斯（Peter Meszaros）说，此时在喷流中会形成一个高速的反向激波，进而造成可见光闪光，之后它会很快的消失。而喷流的前导边缘会继续前进，在之后的几小时到几天里会随着速度的降低而释放出X射线和可见光。

                               
[图片说明]：在12月份，利克天文台0.76米的KAIT程控望远镜在暴发之后的2分钟内就拍摄到了γ暴。照片版权：WEIDONG LI/UC BERKELEY。

　　“这个火球模型很好的解释了观测到的现象，但是我们需要最初演化的更多细节，”坍缩星模型的提出者之一、加州理工学院的天体物理学家安德鲁·麦克法第安（Andrew MacFadyen）说。由于在余辉的早期阶段喷流的速度最快，因此它为我们了解驱动喷流的中央引擎提供了线索。

　　不久以前，这些观测早期就已经开展得很普遍了。一些天文学家建造了小型的程控望远镜来监测天空，以寻找快速变化或者运动的天体。同时，如果它们接到NASA的康普顿γ射线天文台（CGRO）或者荷兰—意大利的BeppoSAX卫星的γ暴预警，这些程控望远镜就会立刻中断现有的观测，转而对准新的目标。大多数的程控望远镜系统造价都不便宜——通常在硬件上的花费是25万美元，而控制望远镜的软件的价钱是硬件的4倍。但是这是天文学家已知的目前在地面上追踪γ暴的唯一方法，因为大型望远镜不可能在短时间内指向天空中的任意一点。

　　第一次追踪γ暴的景象极为壮观。1999年1月23日，位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的程控光学暂现源搜寻实验（Robotic Optical Transient Search Experiment，ROTSE）拍摄到了γ暴GRB990123所释放出的极为明亮的光学闪光。这次观测的时间仅仅是暴发开始之后的22秒，至今这仍是唯一一张γ暴在暴发过程中的光学照片。

　　虽然程控望远镜在接下去的4年中并没有停止工作，但是随着在2000年和2002年CGRO和BeppoSAX相继停止工作，γ暴的预警信息越来越少。同时在地面上，天文学家也意识到他们需要更大口径的望远镜来捕捉γ暴早期的光学光辉，其亮度通常小于GRB990123的1%。因此，大多数γ暴的图像都是在几小时或者几天之后使用大型望远镜所拍摄的，因此根本无法拍摄到早期的余辉。

　　现在担负γ暴预警任务的是2000年10月份发射的高能暂现源实验-2（High-Energy Transient Explorer-2，HETE-2）。在发射之后的一年中，HETE-2深受其光学滤光片问题的困扰。但是现在，HETE-2任务主任、MIT的瑞克说，现在卫星的所有系统都工作正常，预计每年可以定位约20个γ暴。即使如此，地面的程控望远镜仍然需要不少的运气——快速而精确的指向，目标在可观测的天区，以及良好的观测条件——才能在1-2分钟之内观测到γ暴。

　　HETE-2的两项发现震惊了这一领域。2002年10月4日，HETE-2发现了距离我们107亿光年的一个γ暴。尽管对于美国的程控望远镜来说它的地平高度过低而无法观测，但是日本的一架望远镜在暴发之后193秒捕捉到了它的影像。这一暴发预警同时也拨通了加州理工学院天文学家德里克·福克斯（Derek Fox）的电话，他跳下床向加州理工学院位于帕洛玛天文台的Oschin望远镜发出了指令，通常情况下这架望远镜用于近地小行星的搜寻。在暴发之后的9分钟，这架望远镜也拍摄到了几张照片。

　　就像福克斯及其同事在本周的《自然》杂志上所报告的，以及被其他的观测所证实的那样，GRB021004具有惊人的长时间余辉。其亮度的减弱比较缓慢，而GRB990123以及HETE-2最近发现的另一个γ暴与之形成了鲜明的对比。“我们认为有一些东西持续不断的补充进了反向激波，”加州理工学院的天文学家史林尼万斯·库卡尼（Shrinivas Kulkarni）说，他和福克斯一起参加了NASA本周召开的新闻发布会，“这一现象唯一可能的解释就是有源源不断补充进来的能量。”
 
                              
[图片说明]：10月份发现的γ暴（红线），其余辉减弱的速度比其他两个要慢。照片版权：DEREK FOX/CALTECH。

　　福克斯和库卡尼提供了两个解释。第一，中央引擎向喷流提供能量的时间大大超出了我们的预料。如果是这样，坍缩星会经历一系列的暴发而不是一次暴发，这些可能是由于物质掉回新形成的黑洞周围的吸积盘所造成的。第二，喷流可能带动了其边缘处速度较低的物质，进而使其补充进了反向激波。

　　但是在HETE-2于2002年12月11日发现的持续时间短的多γ暴中并没有发现类似的现象，其中程控望远镜的观测起了极为重要的作用。洛斯阿拉莫斯的RAPTOR在暴发之后65秒钟第一个观测到了目标。RAPTOR小组主任、天文学家托马斯·万斯特德（W. Thomas Vestrand）说，在那一早期阶段，余辉仍非常的亮。万斯特德的小组已经修正了控制软件中的一个错误，因此他希望RAPTOR的反应速度能提高到暴发之后10秒钟观测到目标。

　　对GRB021211最好的观测来自利克天文台的卡兹曼自动成像望远镜（Katzman Automatic Imaging Telescope，KAIT）。这架0.76米的望远镜设计用来搜寻超新星，在暴发之后2分钟内就对准了目标。在接下去的10分钟内，KAIT进行了18次曝光，获得了γ暴早期变化的极为详细的观测资料。

　　GRB021211减弱得很快，很多程控望远镜可能根本没有注意到它的余辉，KAIT主任、加州大学伯克利分校的阿莱克斯·菲利潘科（Alex Filippenko）说，在以前，天文学家可能将其分类为神秘的、没有可见光余辉的“暗”γ暴。“现在看来，暗γ暴可能仅仅是一开始就减弱而且减弱得非常快的γ暴，”加州大学伯克利分校的天文学家李卫东（Weidong Li）说，他是3月20日出版的《天体物理学报通信》上有关GRB021211报告的第一作者。

　　菲利潘科注意到，仅就手头上的三个观测样本就对γ暴早期行为下结论还为时尚早。但是，这一情况将有所改变。在12月份，NASA将发射Swift卫星，期望每年能发现并且研究大约100个γ暴。一支正在壮大的程控望远镜队伍也将投入其中，其中主要包括基特峰国家天文台的Super-LOTIS以及西班牙的BOOTES。现在ROTSE已经成为了一个由密歇根大学的安·阿博（Ann Arbor）领导的国际项目，计划在澳大利亚、纳米比亚、美国德克萨斯以及土耳其安装四架独立的望远镜。另外，一个意大利小组在智利正在为观测γ暴安装一台新的0.6米望远镜，而且在帕洛玛天文台一架1.5米的老望远镜在今年晚些时候也将进行自动化改造。

　　即使是在这一领域长期工作的天文学家也对Swift以及这些程控望远镜所带来的前景表示振奋。“十年前，我会说我们已经了解大质量恒星的死亡了，”库卡尼说，“但是现在我认为这还是一个充满未知的领域，而且γ暴也仅仅是冰山一角。”

　

   译自 [Science 2003年3月21日]

▲ BACK