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一對伽馬射線暴（GRB）被一個國際的天文學家小組發現了，其能量比以往觀測到的任何物質都要強大。GRB是宇宙中已知的最強的爆炸，但這些最新的觀測表明，我們以前是大大地低估了它們的真正潛力。三篇發表在《自然》雜誌上最新的論文描述了兩種全新的伽瑪射線暴——GRB190114C和GRB 180720B——這兩種射線暴都產生了高能光子——目前為止有記錄的GRB事件中能量最高的光子。這些未想過的觀測結果發出了新的光芒——確切地說——為這些神秘的宇宙事件及其背後的原理髮出了新的光芒。
圖片：伽馬射線暴 來源：谷歌
我們認為巨大的恆星坍縮成黑洞，形成超新星所引發了伽馬射線暴。由此產生的爆炸會產生一種強大的、濃縮的噴流，以99.99%的光速將物質射入太空。高速加速的粒子通過與磁場和輻射的複雜相互作用產生伽馬射線。隨後伽馬射線繼續穿越星際空間，其中一些最終到達地球。當它們與大氣接觸時，伽馬射線會引發粒子級聯，進而產生一種被稱為切倫科夫光的現象，這種現象可以被特殊裝置的望遠鏡探測到。
圖片：超新星，科學家猜測其可以引發伽馬射線暴（GRB）
「天文學家50多年一直在研究伽馬射線暴，但是還有很多東西需要學習，包括需要深入了解伽馬射線如何產生，以及包括物質以如此極端速度從黑洞向外拋出時的物理學。」華威大學的一個新研究的合作作者之一，天文學教授Andrew Levan說道。前所未有的巨大能量的、新發現的伽馬射線暴，無疑是有幫助的。
Levan在給Gizmodo的電子郵件中寫道：「這些新的觀測結果擴大了伽馬射線的能量範圍，揭示了我們以前從未見過的輻射一個新組成部分。」「他們是一個讓望遠鏡探測到這種光的技術的絕佳演示。最重要的是，它們提供了一種新方法來理解自然界最極端條件下的物理學。」
事實上，如果沒有一些引人注目的技術，這些觀測是不可能的。新論文中描述的GRB能量是通過觀察它們對大氣的影響來測量的。當伽馬射線衝進我們的天空時，它們會產生大量的粒子，並產生一種空氣簇射。這些簇射以相對速度運動時，會產生一種可探測到的藍色輝光，稱為切倫科夫光，切倫科夫望遠鏡可以適當地探測到這種藍光。
圖片：切倫科夫光 來源：谷歌
在這種情況下，這些望遠鏡的成像系統使用了納米比亞的高能立體成像系統(HESS)和加那利群島的專業大氣切倫科夫伽馬成像系統 (MAGIC)，兩個都是由馬克斯·普朗克學會操作的。以前曾用過衛星來觀測切倫科夫光，但它們的儀器不夠靈敏，因為它們產生的是弱光，無法探測到超高能量的事件。第一次高能事件是GRB 180720B，發生於2018年7月20日，由馬克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)、德國電子同步加速器研究所（DESY）、國際射電天文學研究中心(ICRAR)和其他幾個機構的天文學家領導的一篇論文中進行了描述。第二個事件，GRB 190114C，發生在2019年1月14日，在兩篇新論文中都有描述，都是由馬克斯·普朗克物理研究所的Razmik Mirzoyan領導的。來自世界各地的300多名科學家參與了這項研究。
圖片：伽馬射線暴概念圖 來源：谷歌
「這些特殊的爆發的特別之處不在於它們總共發出了多少能量，而在於我們從單個的光中看到的能量。」 Levan解釋說。「我們可以把光看作是由叫做光子的小粒子組成的，這些光子中的每一個都攜帶著能量。我們通常用電子伏特來測量能量，也就是單個電子通過1伏特的能量。」
我們周圍的光子，我們用眼睛看到的，通常擁有大約1電子伏的能量，但是來自GRB 190114C的光子，通過MAGIC測量，攜帶了超過1萬億電子伏(TeV)的能量，這是我們用眼睛看到的能量的一萬億倍，Levan解釋說。從另一個角度看，2013年創下記錄的GRB的測量值為940億電子伏特，即0.094 TeV。
他說：「這有點像你旁邊站著的人是比爾·蓋茨，而你的名下只有10美分。」不出所料，如果一個光子有這麼多能量，它可以做不同的事情——有點像你可以過一種完全不同的生活，用1000億美元而不是10美分。所以這種高能的光確實為宇宙打開了一扇新的窗。」
圖片：切倫科夫望遠鏡 來源：鳳凰網
MAGIC收集的數據顯示，GRB 190114C的能量在2000億到10000億電子伏特之間，也就是0.2到1TeV之間。這是目前發現的最強的GRB事件。所支持這項研究的天文臺觀測表明，這個GRB距離地球約40億光年。根據赫斯的測量，早期的GRB 180720B稍弱一些，有記錄的能量在1000億到4400億電子伏特之間，即0.1到0.44 TeV，據估計離我們有60億光年遠。
圖片：GRB 190114C及其母星系的餘暉。圖片來源：NASA
「這些觀測最使我驚訝的是，經過十多年的努力，我們終於看到了這樣的高能釋放，」Levan說。他說，除了這兩起事件外，去年夏天還記錄了另一起大的GRB，具體細節尚未公布。「這意味著，這種釋放可能在伽馬暴中相當常見，而不是非常罕見。「在這種情況下，我們花了這麼長時間才找到合適的條件來發現這種異常高能的光，這實在令人驚訝。」Levan告訴天文在線。
這兩篇新論文除了描述了新的GRB，還對高能光子提出了解釋，即高能光子被認為是由一種被稱為逆康普頓散射的雙重性過程產生的。起初，快速加速的粒子在爆炸內部的強磁場中反彈，導致同步輻射。然後，在第二階段，同步加速器的光子撞擊產生它們的快速粒子，將它們的能量提升到地球大氣中記錄的極限速度。
圖片：探測到的最強伽馬射線暴圖解 來源：科學研究網
GRB幾乎每天都會被衛星記錄下來，但從宇宙學的角度來看，它們實際上非常罕見。把這些東西從力量的角度來看，一個「典型的在幾秒鐘內釋放太陽在100億年所釋放的能量，」天文學家吉瑪·安德森在一份科廷大學研究合著的國際射電天文學研究中心新聞稿中解釋說。如果伽馬暴在我們附近的任何地方爆發，並直接聚焦於地球，就可能引發大規模滅絕。正如Levan向Gizmodo解釋的那樣，這樣的事件可能確實發生在地球的遠古時代。「我們在地質記錄中可以看到一次大滅絕事件——奧陶紀大滅絕——這與我們預期的伽馬射線爆發相吻合，」Levan說。「如果一個事件離地球足夠近，現在就影響到我們，我們就會產生一些有些矛盾的效果。」首先，伽馬射線會破壞臭氧層，使大量的紫外線到達地表。
相比之下，由於大氣中關鍵分子的破壞和氧化亞氮的存在，可見光可能會被阻擋。氧化亞氮會阻擋陽光，引發冰河世紀。這種大氣效應的雙重打擊將是不好的。「這與4.4億年前奧陶紀大滅絕時的情況是一致的，儘管這不是唯一可能的解釋，」Levan說。「然而，要想影響我們，伽馬暴必須離我們足夠近，而且它的噴流直接指向我們。觀測表明，伽馬暴在銀河系中實際上非常罕見。」對此，他補充道：「我們真的不指望會少於每十億年左右受一次重大影響——我們沒有理由因為這種可能性而失眠。」
大約每十億年一次？嗯，我喜歡這種可能性。
作者：George Dvorsky
FY:冒泡泡
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