哈勃揭示短γ暴起源的铁证

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2013-08-10 21:21:26 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:2513次 ]
原文标题:Hubble Finds “Smoking Gun” After Gamma-Ray Blast
原文作者:Nial Tanvir,Andy Fruchter;Donna Weaver,Ray Villard;
来自:哈勃官网; 发表时间:2013.8.3;
翻译:gohomeman1  审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载)


2013.8.3:自从20世纪60年代美国空军的 侦察卫星 意外发现γ射线暴发(GRB)以来,天文学家一直在寻找它的 引发机制。GRB是天空中随机发生的 强烈高能爆发,其不到1秒钟暴出的 能量,超过太阳100万年的 能量输出总和!



哈勃拍摄的 GRB余辉对比,大图下载:2.0MB,版权:NASA,ESA;研究者团队,下同。


美国宇航局(NASA)的 哈勃太空望远镜已经提供了迄今最过硬的 铁证,说明短周期γ射线暴发(短GRB,短暴)起源于两颗超致密天体合并,这两个天体可以是一对很小的 中子星 ,或者一颗中子星 与一个黑洞。

该决定性证据是哈勃对一个短γ暴触发的 余辉的 近红外观测。此余辉首次揭示了一类新的 恒星 爆发现象——“千倍新星 ”(kilonova),它是与短暴相伴随的 。

千倍新星 大约是与白矮星 相关的 新星 爆发亮度的 千倍。这种新星 的 亮度约为大质量恒星 坍缩导致的 超新星 爆发的 0.1~0.01倍。

GRB130603B所在的 宿主星 系 SDS J112848.22+170418.5。大图下载:2.5MB


GRB是天空中随机发生的 强烈高能爆发。短GRB的 持续时间不超过2秒,但其产生的 可见光或近红外余辉,有时可以持续几小时到几天。

余辉可以帮助天文学家确定GRB所对应的 遥远星 系 。研究者介绍说,短暴的 起源,还是个谜。公认的 理论认为它起源于两个致密天体的 合并,但天文学家一直没有收集到足够强的 证据,证明此点。


由英国莱斯大学的 尼尔•坦维尔(Nial Tanvir)领衔的 研究团队,借助哈勃望远镜,观测了一个新进爆发的 短GRB 的 近红外余辉。观测发现了千倍新星 现象,提供了合并假设的 确凿证据(原文所谓“冒烟的 枪”——smoking gun)。

Tanvir介绍说:“我们的 观测最终解决了短γ暴的 起源之谜。许多天文学家,包括我们小组在内,早已提供了大量证据说明,爆发时间长于2秒的 长周期γ暴,是超大质量恒星 (晚期)坍缩为黑洞造成的 。但我们只有微弱的 间接证据表明,短暴是致密天体合并造成的 。本次观测结果提供了该方案的 决定性证据。”

天体物理学家预言,短GRB起源于一对超级致密的 中子星 以螺旋线接近的 过程。随着两个中子星 逐渐接近,系 统发出引力波,在时间中产生微小的 涟漪。引力波使系 统能量耗散,两个天体逐渐接近。最后两个中子星 相撞(形成黑洞),在毫秒时间段内,死亡漩涡喷出部分高辐射性物质。这些物质以接近光速前冲并扩散,(与周围的 星 际物质作用)产生剧烈的 辐射余辉——千倍新星 现象。千倍新星 在可见光和近红外波段每秒钟输出的 能量,相当于太阳同样波段数年的 能量之和。千倍新星 持续约一周时间。



短γ暴 的 爆发过程意图。其中第3个阶段的 喷流就是GRB,第4个阶段就是余辉。大图:1.0MB


在新近的 科学期刊上,美国加州大学伯克利分校及劳伦斯伯克利国家实验室的 Jennifer Barnes、Daniel Kasen计算分析了千倍新星 现象。他们预言,由于同样炽热的 等离子体会阻挡可见光的 传播,使得千倍新星 在近红外波段会特别明亮好几天。

2013.6.3,美国雨燕高能望远镜发现了一个极端明亮的 γ暴,编号GRB 130603B(6.3的 第二个GRB),位于离我们约40亿光年外的 遥远星 系 中。该发现提供了测试上述模型的 意外机会。虽然该GRB仅持续了0.1秒,却比随后的 千倍新星 余辉亮了1000亿倍!

在西班牙加那利(Canary)群岛,威廉•赫歇尔望远镜发现了余辉,而加那利大型望远镜确定了它的 距离(光谱红移值换算的 ——译注)。

Tanvir 继续解说:“我们很快发觉,通过哈勃在近红外波段搜寻千倍新星 是检验Barnes和Kasen 模型的 好机会。” 分析推测爆发的 3~11天内,余辉于近红外波段达到最亮。研究者需要在余辉变暗前迅速行动,所以他们求助于(太空望远镜科研所的 )主任自由观测时间,动用哈勃的 第三代广域相机(WFC3)。


6.13与7.3的 图像对比,可以明显看出配色为红的 余辉消失了。

2013.6.12—6.13,哈勃在爆发的 原始所在地发现一个暗淡的 红色点源。另一个研究团队的 独立数据分析确认了此点。三周后的 7.3,哈勃发现该源已经消失,表明它是爆发后伴随的 火球——关键证据。

团队成员、马里兰州巴尔的 摩市太空望远镜科研所的 Andrew Fruchter 分析说:“此前天文学家对短暴余辉的 观测主要集中于可见光波段,除了GRB本身的 强光外,其实并没真正发现什么。但新模型提出,当我们比较短暴一周后的 可见光和近红外图像,千倍新星 就会凸显出来,这正是我们观测到现象。”

除了确认短暴的 属性外,本发现还有两大重要意义。首先,宇宙中大量超重元素,比如金和铂的 起源,长期成谜。千倍新星 模型预言,这些超重元素可以大量形成、散布到太空,并成为下一代恒星 、行星 的 一部分。

其次,致密天体的 合并会产生强烈的 引力波辐射,这时阿尔伯特•爱因斯坦首先预言的 。迄今我们还没能探测到引力波,但发展中的 新一代仪器可能在数年后发现它。Tanvir总结说:“现在看来,通过搜寻千倍新星 ,天文学家可能把这些现象关联在一起,都取得突破。”

团队研究成果将发表在2013.8.1出版的 《天体物理学通讯期刊》上。



译注:
1、kilo-前缀代表“千”,比如千克kilogram,千米kilometre,千秒差距kiloparsec。

2、nova是新星 ,来自拉丁文。当代天文学,新星 特指白矮星 吸积密近伴星 外层的 氢,在白矮星 表面产生热失控的 氢核聚变所产生的 爆发;爆发会吹散氢和聚变产生的 氦。此类爆发可以间歇性产生,亮度可变。

3、假如白矮星 吸积的 是氦或更重的 元素,这些物质不能在白矮星 表面聚变,白矮星 就会逐渐增加质量,直到其达到极限而整体爆发;或者两颗白矮星 合并,这都会导致Ia类超新星 (supernova)。

4、文章中所说的 大质量恒星 坍缩,是Ⅱ类超新星 爆发。如果坍缩时恒星 质量超过35个太阳,坍缩就会产生黑洞,恒星 核心将以吸积盘落入黑洞,这时就会产生长γ暴。

Tags: γ暴 中子星 合并

责任编辑:gohomeman1

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