伽玛射线暴是宇宙中最明亮、最具能量的天体爆发现象。以前科学家也难以解释它们为何会发生,部份缘由在于,所有已知的伽玛射线暴都来自十分特别遥远的地方——通常距离月球数十亿光年,以至于无法确定它来自那里,于是伽玛射线暴一度是宇宙之谜。
经历了漫长的探求,直至1997年,科学家破解了伽玛射线暴的距离之谜。中科院高能所粒子天体化学中心副所长、研究员,凭栏空间望远镜首席科学家熊少林介绍,伽玛射线暴的形成机制有两种类型,一类形成于很大质量星体的核心坍缩爆燃,持续时间一般长于2秒。
熊少林说:“大质量星体像超新星爆燃,中间可能会产生一个黑洞,黑洞的引力特别强,它都会把一部份物质吞噬掉,但它们也不一定会把所有的物质全都吞掉,而是会向两极方向喷下来一些物质,但是它的喷射速率十分快,接近光速,这么喷射下来的东西我们叫它喷流,像喷泉一样,喷流里面可能会发生剧烈的化学过程,形成高能幅射,这就是我们看见的伽玛射线的幅射,喷流跟外边的物质互相作用又能形成更多幅射,我们称作余辉。”
只有喷流刚好对准月球时,人类才有机会侦测到这种幅射。这次发觉的伽玛暴就形成于星体的死亡爆燃。除此之外,那些年来科学家还发觉了另外一种类型的伽玛射线暴,它是由两个致密天体绕转并合形成的,这些天体一般被称作中子星或则黑洞,它们在绕转并合到最后翻车在一起,也会形成爆燃和喷流。
看到这儿,一定会有人想问,为何叫“伽马射线暴”呢?熊少林解释说,由于它在伽玛射线波段幅射是最强的,能量也是最多的,“这个幅射就是来自喷流上面形成的,当喷流跟外边星际介质互相作用的时侯,它会形成更多的幅射,这个幅射的能段更宽,譬如说还可以形成射电幅射,可见光(就是我们照明的光),能够形成X射线、伽马射线,甚至能形成甚高能的幅射(这是高能所的重大设施‘拉索’的一个重大成果),所以总的来讲就是伽玛射线暴的幅射是比较多、比较复杂的。我们此次发布的是慧眼卫星和凭栏空间望远镜是对瞬时幅射和初期余辉的发觉成果。”
事实上,伽玛射线暴并不罕见粒子天体物理,迄今为止人类早已侦测到了近万例伽玛射线暴。并且极端明亮的伽玛射线暴,常常被觉得是特殊重要的。由于明亮带来的益处是可以帮助人类更好观测它,因而进行更细致的研究,进一步理解伽玛射线暴的产生机制。
例如,今年10月9日下午,来自中国的这项重要发觉——它是发生在距离月球约24亿光年的一起宇宙风波,一颗巨大的濒死星体在坍缩成黑洞或中子星时释放出强悍的能量喷流。张冰说,该伽玛暴具有极端的照度和相对较近的距离使其成为名副虽然的千年一遇的历史性风波。
“千年一遇和万年一遇是一个哪些样的概念?你想想在上一次发生的时侯,倘若是一千年的时侯,这么我们当时还正在宋朝,倘若是一万年,我们当时还是山顶洞人的时侯。而这样一个伽玛暴恰好是发生在了这个时侯,人类步入了才能观测伽玛射线暴的时代,但是中国有两架空间望远镜可以同时观测它,光这一件事情就早已是十分难得了。”张冰说。
它究竟有多亮呢?科学家们称它是有史以来最亮的伽玛射线暴,由于它将伽玛暴的色温纪录提高了50倍。张冰表示,这次侦测数据的科学意义和贡献还在于,研究团队发觉这个伽玛暴的绝对的能量和色温均打破纪录。
张冰说:“暴本身的能量色温也是迄今最亮的。这么1.5×10的55次方尔格是一个哪些样的概念?也就是把一个太阳完全消失掉,把它全部转化为能量,都不可能达到如此大,须要8个太阳才才能达到如此大。假如我们根据光度来让它幅射,太阳一生也就是100亿年释放的能量远远不够,须要1万个这样的太阳,把它全部能量加上去,但是它幅射的时间就在一分钟之内就释放下来。可想而知,这样的一个伽玛射线暴前所未有的是特别明亮的。”
迄今发觉的最亮伽玛射线暴(GRB)想像图
但同时,伽玛暴最亮的部份也是最难测的。甚至连世界上许多专门为观测这样的宇宙风波而设计的空间望远镜都出现了“数据饱和”的现象,也就是由于讯号过多而造成望远镜“失明”。
熊少林说,高能所这次研究在国际上的优势和重要贡献是,我国的慧眼卫星和凭栏空间望远镜联合精确侦测到了迄今最亮伽玛射线暴从征兆幅射到主暴、耀发以及初期余辉的各个关键阶段的幅射性质。
“我们把最亮的伽玛射线暴检测得十分精准,没有任何遗失数据,这也是中国高能所对这个伽玛射线暴的奇特贡献,由于全世界其他的几乎所有望远镜都没有精确检测这个伽玛射线暴,要不然就是‘暴’太亮了,它的数据遗失了,要不然就是它的卫星没有办法检测。”熊少林说。
之所以能做到精确侦测,是由于在此期间,凭栏空间望远镜刚好处于才能记录极高伽玛射线流强的特殊观测模式,防止了因极端色温而容易形成的各类仪器效应(包括数据饱和遗失、信号堆积、死时间过大等),成功对该伽玛暴极端明亮的主暴进行了完整而精确的侦测。而慧眼卫星配备的高能X射线望远镜凭着其在兆电子伏能区最大的有效面积,成功侦测到该伽玛暴,并获得了其征兆幅射和初期余辉的高质量数据。中科院高能所粒子天体化学中心院长/研究员、慧眼卫星首席科学家张双南说,这是慧眼和极目的一次“神配合”。
“当它爆发的五老峰过去以后,步入了比较暗的余辉阶段的时侯,这会儿慧眼卫星大面积发挥优势了,我们反倒把它这块比较暗的这一部份又精确地给检测下来了。我们既发挥了凭栏空间望远镜(GECAM-C)才能容忍暴,没有被‘亮瞎眼’,又发挥了慧眼卫星在它比较暗了以后,又精确地做了检测,给它结合上去。再加上慧眼卫星旁边还有扫描,让凭栏(GECAM-C)卫星前面也接上了,所以是一个神配合,把伽玛射线暴从最开始仍然到前面都给精确地检测下来了,这也是我们这篇论文报告的最主要的内容。”张双南说。
除此之外,张冰院长介绍粒子天体物理,该伽玛暴的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得十分早,意味着形成伽玛射线的喷流十分窄小,是人类侦测到的最窄小的伽玛暴喷流之一。研究团队觉得,极为窄小的喷流可能是该伽玛暴看起来极端明亮的诱因之一。
张冰说:“什么样的一个中心引擎,可以在1分钟内把8个太阳的质量全部转化为能量,几乎是不可能的。所以我们说它是一个有史以来最亮,实际上是两个层次。在慧眼和凭栏之前,你们是说观测到它是有史以来最亮,这么通过观测我们做到本质上它也是有史以来最亮的。在余辉的数据中找到了拐折,可以推断较窄喷流的存在。这么总结上去此次慧眼和极目的观测研究,对于深入理解伽玛暴这些极端宇宙的爆发现象提供了崭新视角。”