宇宙最强伽马射线有多大威力?

国际天文学家团队检测到一对伽马射线暴(下简称GRB)所带的能量超过过去所观察到的所有事件。GRB是我们所知的宇宙中最强爆炸,但是最新的观测表明,我们严重低估了他们的真实潜力。

Nature期刊发表的三篇新论文描述了两种新的伽马射线暴-GRB 190114C和GRB180729B。两个GRB都产生有记录以来能量最高的光子。这项史无前例的观察为科学家提供了新的对于神秘宇宙事件和背后机理的研究方向。

人们认为当大型恒星坍塌为黑洞成为超新星时触发GRB。所引发的爆炸生成一股强有力的浓缩喷气,向太空喷射出的物质其速度大约为光速的99.99%。这些被急剧加速的粒子通过磁场和辐射的复杂变化产生伽马射线。因此而产生的伽马射线继续在星际空间旅行,其中一些最终到达地球。当他们与我们的大气层相遇时,伽马射线触发粒子级联反应,因此产生的大气是我们熟知的切伦科夫光,可以通过特殊的望远镜观测到。

天文学家已研究GRB超过50年,但是仍然有许多内容等待去探索,包括伽马射线如何存在以及当物质以极快的速度从黑洞被喷射时所涉及的物理学,华威大学天文学教授以及nature最新论文之一的合作作者Andrew Levan讲到。新检测到的具有前所未有能量的GRB或许可以为科学家的研究提供帮助。

“这些新的发现将我们所观察到的伽马射线能量范围扩大并且揭示了一个新的我们从未看过的成分。”Levan在与天文在线的邮件中说到。“一个天文望远镜技术证明可以检测此类光线,这是令人十分激动的。最重要的是,他们提供了一种新的方式以理解自然中最极端条件的物理学。”

的确,如果没有超强的技术支撑,这些观察将是无法实现的。新发表论文中所描述的GRB能量是通过观察在我们的大气层产生的效果测量的。当伽马射线冲入我们的天空时,他们释放出大量的粒子,产生各种大气宇宙射线簇射。以相对论速度移动,这些簇射产生一个可测量的浅蓝色光芒,称为切伦科夫光,可以通过切伦科夫望远镜足够准确的检测。

这些望远镜是位于纳米比亚的高能量立体系统(HESS)和位于加那利群岛的MAGIC,他们都由Max Planck Society操作。卫星之前被用于观察切伦科夫光,但是此类设备不足以敏感的检测超高能量事件,因为他们会产生弱光。

第一个高能量事件GRB 180720B发生在2018年7月20日,由Max Planck协会,Deutsches Elektronen-Synchotron (DESY),ICRAR和一些其它组织的天文学家发表的论文进行了描述。第二个事件,GRB 190114C出现在2019年1月14日,由两篇新论文进行了介绍,都是由Max Planck 物理协会的Razmik Mirzoyan发表。全球超过300个科学家参与了这项研究。

“关于这些特殊爆炸的显著特征不在于他们共喷射出多少能量,而是这些可观察到的能量来源于光,”Levan解释道。“我们知道,光是由光子构成的,并且每一个光子都带有能量。我们通常测量每个电子伏特单位下的能量,也就是每个电子通过1伏特电压的能量。”

我们所看到环绕在周围的光通常含有1电子伏特的能量,但是来自于GRB 190114C的光子,通过MAGIC的测量发现携带了超过1TeV的能量,这是我们可以看到的光线所携带能量的1万亿倍,Levan解释说。通过望远镜,2013年测量到一个创纪录的GRB,其能量为940亿电子伏特,也就是0.094TeV。

“这有点像你名下有10分钱,而你旁边所站的人是比尔盖茨,”Levan讲到。“并不奇怪的是,如果一个光子拥有如此大的能量,他可以做一件非同寻常的事情——有点像你可以过上拥有1000亿的生活,这与只拥有10分钱相差太大了。因此,这强大的能量光线确实打开了我们对于宇宙的认知的另外一个角度的窗口。

由MAGIC收集的数据显示,来自GRB 190114C的能量介于2000亿和1万亿电子伏特之间,即0.2TeV和1Tev之间。这是目前所检测到的最强的GRB事件。通过望远镜的观察,此GRB距离地球大约40亿光年。先前的GRB 180720B是由HESS观察到的,其能量相对较弱,能量介于1000亿和4400亿电子伏特之间,即0.1TeV到0.44TeV,距离地球大约60亿光年。

“大多数关于GRB的观察所让我所惊讶的是,在经过数十年的努力之后我们才最终看到如此高能量的爆炸,”Levan讲到。除了这两个事件,另外一个大的GRB在去年夏天被观察到,但是具体细节还未被公开。“这意味着除了与其说是稀有,这类发射在伽马射线暴中其实是常见的。在此情况下,最让我们惊讶的是,我们等待了这么长时间才发现了如此大能量的光线,”Levan对天文在线讲到。

新发表的论文除了描述了新的GRB之外,还解释了这些高能量的光子,认为能够产生两种不同的过程,被称为逆康普顿散射。起初,急剧加速的粒子伴随着爆炸在强磁场中弹跳,导致同步加速辐射(地球上的同步加速器和其他粒子加速器也可以产生相同的辐射,但此后与之不同)。之后,在第二阶段,同步加速的光子撞击着生成他们的快速粒子,以增加他们的能量从而达到地球大气层的极端速率。

通过卫星几乎每天都会记录到GRB,但是从宇宙视角来说,他们实际上是非常稀有的——谢天谢地。将这些事件的能量以望远镜观察,一个“典型的爆炸在短时间内释放了太阳在其100亿生命中的全部能量,”ICRAR-科廷大学天文学家Gemma Anderson解释说。如果一个GRB在我们周边任何一个地方爆炸,他会直接面向地球,可能引起大规模的灭绝。

正如Levan向天文在线所说,这类事件曾在地球发生过。

“曾经有一次大规模灭绝事件通过地理可以了解到——奥陶纪灭绝——与我们所预测的一次伽马射线暴相契合”,Levan讲到。“如果一件事发生在非常靠近地球以至于影响到如今我们的生活,我们会有一些自相矛盾的现象。”

首先,臭氧层会被伽马射线损害,使得大量的紫外线到达表层,Levan讲到,相反,由于大气中的主要分子的破坏以及一氧化二氮的存在,紫外线将会被锁定,因此会阻挡阳光,引发冰河世纪。这个双重打击会使得大气层的效果变得非常糟糕。

“这与我们所看到的4400亿年前奥陶纪灭绝相吻合,尽管这并不只是唯一的解释,”Levan讲到。“然而,如果伽马射线暴对我们产生一定的影响,他必须距离我们足够的近,使得他径直朝着我们喷发。我们的观察预示着,伽马射线暴在银河系中其实是非常罕见的。”

此外,Levan还补充道:“我们并不期待着受到的影响比10亿年前严重得多——或许没有理由让这个理由不成立。”

大约每10亿年左右?我希望这是假的。

作者: George Dvorsky

FY: 李Nn

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