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天文学家刚刚看到了有史以来最强大的伽马射线爆发

伽马射线暴 (GRB) 是当今天文学家面临的最神秘的瞬变现象之一。 这些令人难以置信的能量爆发是自大爆炸以来观察到的最强大的电磁事件,可持续数毫秒到数小时不等。 虽然人们认为在超新星爆发期间会发生较长的爆发,但当大质量恒星经历引力坍缩并脱落其外层变成黑洞时,当大质量双星(黑洞和中子星)合并时也记录到较短的事件。

这些爆发的特点是伽马射线的初始闪光和寿命更长的“余辉”,通常以 X 射线、紫外线、无线电和其他更长的波长发射。 2022 年 10 月 14 日凌晨,两个独立的天文学家团队使用双子座南方望远镜观察了 GRB 的后果,称为 GRB221009A。 这一事件位于人马座 24 亿光年外,可能是有记录以来最接近和最强大的爆炸,很可能是由产生黑洞的超新星引发的。

当大质量恒星变成超新星,产生一个残余黑洞并吹掉它们的外层时,就会出现持续时间更长的 GRB。 当喷射出的物质被加速到接近光速时,这种爆炸的力量会产生强大的射流,推动碎片并在它们到达太空时发射 X 射线和伽马射线。 如果这些喷流沿地球的大致方向行进,天文学家将观察到它们是 X 射线和伽马射线的明亮闪光。 利用地球和太空中一些最强大的望远镜的数据,天文学家能够对附近的 GRB 进行前所未有的观测。

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GRB221009A 于 2022 年 10 月 9 日上午首次被 X 射线和伽马射线太空望远镜探测到——包括美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜、尼尔盖勒斯斯威夫特天文台和 Wind 宇宙飞船。 几乎紧接着,世界各地的天文台就竞相进行后续观察并确定结果。 使用双子座南方望远镜(由 NOIRLab 运营),两个独立的团队对强大事件的余辉进行了快速的机会目标 (ToO) 观测。

这些团队由马里兰大学和乔治华盛顿大学的研究生观测天文学家 Brendan O’Connor 和博士 Jillian Rastinejad 领导。 西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心 (CIERA) 的学生。 两个团队分别使用 Gemini South 的 FLAMINGOS-2 近红外成像仪器和 Gemini 多目标光谱仪 (GMOS) 获得了对余辉的最早可能观测结果。

正如 Rastinejad 在最近的 NOIRLab 新闻稿中解释的那样,他们的组合数据集产生了一张可能是有史以来观测到的最亮 GRB 的图像:

“在我们的研究小组中,我们一直将这次爆发称为‘BOAT’,或有史以来最亮的一次,因为当你观察自 1990 年代以来伽马射线望远镜探测到的数千次爆发时,这一次是与众不同的. Gemini 的灵敏度和多样化的仪器套件将帮助我们观察 GRB221009A 的光学对应物,其时间比大多数地面望远镜所能观察到的要晚得多。 这将帮助我们了解是什么让这次伽马射线爆发如此独特地明亮和充满活力。

团队进行观测的速度证明了双子座天文台的基础设施和数据缩减软件——包括快速初始缩减引擎 (FIRE) 和来自双子座天文台南北 (DRAGONS) 平台的天文学数据缩减。 不久之后,美国宇航局伽马射线坐标网络开始填满来自世界各地天文台的报告。 根据现有数据,科学家认为 GRB 是一颗质量是太阳质量数倍的恒星坍缩的结果,它产生了一个黑洞。

两颗合并中子星的艺术表现。 图片来源:Dana Berry,SkyWorks Digital, Inc.

更重要的是,这次事件的数据可能有助于解决关于 GRB 的持续谜团。 虽然大多数伽马射线爆发是在遥远的星系中观察到的,但有些似乎是来自星际空间的孤独闪光。 这引发了对 GRB 的真实起源和距离的质疑,许多天文学家推测某些短爆发起源于星系际介质 (IGM)。 然而,这些结果表明,过去短 GRB 可能比预期的更常见。

研究小组在查阅了美国宇航局 Neil Gehrels Swift 天文台上的两个主要仪器——爆发警报望远镜 (BAT) 和 Swift X 射线望远镜观测到的 120 个短 GRB 的数据后得出了这一结论,这两个仪器检测爆发并检查 X -射线余辉。 他们将此与洛厄尔发现望远镜 (LDT) 进行的额外余辉研究相结合,发现 43 个短 GRB 与任何已知星系无关,并且出现在星系之间相对空旷的空间中。 正如奥康纳在马里兰大学的新闻报道中解释的那样:

“在离我们相对较近的明亮星系中发现了许多短伽马暴,但其中一些似乎没有相应的银河系。 通过查明短伽马暴的起源,我们能够梳理来自双子座望远镜等天文台的大量数据,以找到以前因距离太远而无法识别的微弱星系。”

这些发现也可能对我们对早期宇宙的理解产生影响。 近年来,天文学家发现证据表明黄金和铂等贵金属可能来自数十亿年前发生的中子星合并。 如果这些事件在过去更常见,这可能意味着宇宙比预期更早地播种了贵金属。 与此同时,这一事件的充满活力的性质使其成为天文学家千载难逢的机会。 正如奥康纳所解释的:

“特别长的 GRB 221009A 是有记录以来最亮的 GRB,它的余辉正在打破所有波长的所有记录. 因为这次爆发是如此明亮,而且也在附近,我们认为这是一个百年一遇的机会,可以解决一些关于这些爆发的最基本问题,从黑洞的形成到暗物质模型的测试。

艺术家对两颗中子星碰撞的印象,称为“千新星”事件。 学分:伊丽莎白惠特利(STScI)

由于它与地球相对接近,这一事件也是一个独特的机会,可以研究比铁更重的元素(在恒星内部形成)的起源,以及它们是来自中子星合并还是恒星坍缩。 最后但同样重要的是,这一事件还导致了地球电离层的扰动,影响了长波无线电传输,并产生了中国大型高空空气簇射天文台探测到的非常高能量(18 兆电子伏特)的光子。

这些光子如何在 24 亿年的地球之旅中幸存下来是一个谜。 因此,这些数据可以揭示物理定律在极端情况下如何表现的新见解,并使天体物理学能够预测未来 GRB 可能对地球产生的影响。

国际双子座天文台由夏威夷的双子座北望远镜和智利的双子座南望远镜组成,由美国国家科学基金会 (NSF) 下属的国家光学红外天文学研究实验室 (NOIRLab) 运营。 描述这两个团队的发现的论文最近出现在 皇家天文学会月报天体物理学杂志.

进一步阅读:NOIRLab, UMD, AJL, MNRAS

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