异常的高能光暴，颠覆了天文学家的认知

来源: 腾讯新闻 ┆ 时间: 2022-12-09 22:20:09

2021年12月11日，美国国家航天局（NASA）的格雷尔斯雨燕天文台（Swift）和费米γ射线空间望远镜（Fermi）探测到来自约10亿光年外的一次高能光暴，记录了一次持续了50多秒的γ射线暴，以及与其相关的可见光、红外以及X-射线发射。Swift团队迅速确定了它的位置，发现这是一起位于牧夫座的γ射线暴（GRB），编码GRB 211211A。

(资料图)

异常的γ射线暴

γ射线暴是我们宇宙中可以在任意位置出现的短暂而强烈的闪光。几十年来，天文学家根据这种光暴的持续时长将其分为两种类型：持续2秒以内的为短暴，2秒以上的为长暴。

天文学家认为，不同类型的γ射线暴与不同的宇宙事件有关：短暴源自于两颗中子星的碰撞、并合，形成一个新的黑洞（或中子星）的过程；长暴源自于大质量恒星的坍缩。

当双中子星并合形成千新星时，就会产生短暴。

长暴的形成与大质量恒星坍缩有关，其光谱特征与超新星一致。

然而，新观测到的GRB 211211A却挑战了这个长期存在的认知模式，打乱了科学家对γ射线暴的理解。虽然GRB 211211A的高能光暴持续了50多秒，但它并非简单的长暴——它的放射特征与长暴事件的特征不符。

世界各地多个研究团队对GRB 211211A展开了分析研究。12月7日，《自然》和《自然天文学》上刊登了五篇论文来报告这个颠覆了之前关于这些高能宇宙爆发是如何发生的理论的γ射线暴。新研究表明这次事件似乎是由一个致密的双星系统在并合时产生的。

典型的短暴始于两颗绕轨道运行的中子星，当它们越来越近地旋转时，会从彼此身上剥离富含中子的物质。最终，中子星碰撞、并合，产生大量热的碎片，并发出各种波长的光。当双中子星并合时，也会产生引力波，但在这次的事件中并没有被探测到。（图/A. Simonnet (Sonoma State Univ.) and NASA’s Goddard Space Flight Center）

意外的发现：千新星

就γ射线暴而言，持续了50多秒的GRB 211211A是一次距离我们相对较近的暴发事件，这使得研究人员得以在事件之后继续使用地面望远镜对其仔细观测。

然而，几周过后，天文学家并没有如预期的那样发现超新星，这让研究人员开始感到困惑。此外，观测结果还显示，与典型的长暴相比，GRB 211211A发出了多得多的可见光和红外光。

在排除了其他解释后，研究人员将暴发的后效应与在2017年第一个被观测到的千新星对比，结果发现二者的匹配程度近乎完美。他们开始相信，这一事件的源头可能是千新星。

由北双子座望远镜和哈勃空间望远镜拍摄到的合成图像显示了由GRB 211211A产生的千新星光芒。（图/International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA. ）

千新星是由致密天体在并合时所以产生，这种致密天体中至少有一个是中子星。其实，在多年以前，天体物理学家尼尔·格雷尔斯（Neil Gehrels）就提出，双中子星并合也有可能产生一些长时间的γ射线暴。但直到现在，天文学家才有了首个能证实这种猜测的事例，GRB 211211A所遗留下的千新星就是确凿的证据。

并合产生的长暴

通常情况下，并合的中子星几乎会立即坍缩成黑洞。γ射线来自于在落入黑洞时的过热物质，但这种物质很少，黑洞可以很短时间内（两秒钟内）将其吞噬。

那么，究竟是发生了什么，使得GRB 211211A维持了近一分钟的高能光暴呢？

一种可能是，先是两颗中子星并合形成了一颗更大的中子星，接着，这颗大的中子星短暂地“顶住”了即将坍缩成黑洞的压力。另一种可能是，一颗中子星与一颗约为太阳质量5倍的小型黑洞相撞，黑洞用了更长的时间来完成吞噬中子星的过程。

在5篇新发表的论文中，一篇由南京大学的张彬彬（Bin-Bin Zhang）教授领导的研究团队，提出了第三种可能的情况：一颗中子星与一颗白矮星发生了并合。

白矮星是像太阳这样的小恒星的遗骸，它们没有中子星那般致密，但如果一颗白矮星足够重的话，那么当它和中子星发生碰撞时，仍然可以产生千新星。由此产生的天体可能是一颗高度磁化的中子星，即磁陀星。

在这篇论文中，研究人员表示磁陀星可以继续将能量泵入γ射线和其他波长的光中，延长光暴的时长。

改写范式

不管GRB 211211A的确切起源究竟是什么，它对物理学来说都是一次意义重大的事件。它改写了长达数十年的宇宙爆炸范式，向我们展示了我们对宇宙的既定知识，实际上可能只是部分的或不完整的观点。

其实，这并非天文学家第一次捕捉到异常的γ射线暴。早在2006年，格雷尔斯雨燕天文台发现了几次没有留下超新星痕迹的长暴；2020年，费米γ射线空间望远镜捕捉到了一次似乎源自于一颗大质量恒星的爆缩的短暴。这些例外虽然引发了天文学家对它们的确切起源的思考，但一直以来，他们都无法解释这些异常的观测结果。

现在，格雷尔斯雨燕天文台和费米γ射线空间望远镜的观测结果，证明了天体并合与持续长时间的γ射线暴之间存在联系，这将迫使天文学家重新思考一系列问题。

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