伽马射线之谜已解

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关于宇宙中高辐射能量短爆发起源的 30 年难题已得到解决。在当前一期的《自然》杂志中,四个不同的天文学家团队提供了各种证据,首次确定了所谓短伽马射线暴的宇宙距离,并指出其来源是两个小而致密的恒星(称为中子星)的碰撞,或中子星与黑洞的碰撞。这一发现最终证实了一个称为合并模型的理论,不仅为更详细地研究这些不寻常的事件打开了大门,也为探测引力波(引力在时空中产生的难以捉摸的振荡)提供了潜力。

短伽马射线暴是长伽马射线暴的“表亲”,后者是持续超过两秒的巨大能量的显示,在消退之前会短暂地超过其他能量来源。 1997 年,天文学家确定长伽马射线暴的来源是超新星爆炸,即大质量恒星的坍塌。他们还发现,该事件之后会有一个持续一个月的余辉,可以使用探测光学频率、X 射线或无线电波的仪器进行观察。

不幸的是,寻找余辉,进而寻找短伽马射线暴的来源的尝试均告失败。一些研究人员推测,这些余辉难以探测是因为它们发生在星系中密度较低的区域,在那里,喷射出的物质没有机会与大量粒子相互作用并产生足够明亮的爆发。另一些人则认为明亮的能量就在那里,只是天文学家没有将他们的仪器指向正确的方向。


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2004 年 11 月,美国宇航局发射了 Swift 卫星,该卫星专门设计用于感知 X 射线辐射,然后迅速转向其方向以对它们的来源进行成像。今年 5 月,由美国宇航局戈达德太空飞行中心的尼尔·格雷尔斯领导的团队使用该卫星探测到第一次短爆发。他们确定它来自一个椭圆星系,该星系通常由较老的恒星组成。

此后不久,在 7 月,由麻省理工学院的耶稣·诺埃尔·维拉塞诺尔领导的另一个团队使用名为 HETE 2 的卫星观察到了第二次短爆发。另外两个团队,一个由加州理工学院的德里克·福克斯领导,另一个由哥本哈根大学的延斯·约尔特领导,探测到了来自该爆发的 X 射线和光学余辉。他们计算出其光度比长伽马射线暴的光度低约 1,000 倍。

数据显示,尽管能量输出远低于大质量恒星坍塌后所见的能量输出,但它太高了,无法用其他理论解释,即能量来自中子星的地震。“我们提供的所有证据都为合并模型提供了坚实的基础,并且对大质量恒星模型是致命的,”福克斯说。

合并模型假设,两颗开始时是彼此围绕运行的大质量天体的恒星,会在大约 1000 万年内耗尽燃料并坍塌成大小约为纽约市的高度致密的中子星。在另外的 1 亿到数十亿年中,这两个天体继续失去能量,并且随着它们的移动,它们的轨道会缩小。最终它们会碰撞并产生短伽马射线暴。(如果其中一颗恒星变成黑洞并最终吞噬其伴侣,该理论也成立。)

从收集的数据来看,天文学家现在估计,每发生一次短伽马射线爆发,就有另外 30 次未被探测到。这一知识可以推进使用引力波探测器(如加州理工学院的激光干涉仪引力波天文台)进行的研究。这些仪器用于测量来自黑洞等来源的引力波,这些引力波在一定程度上难以理解,因为它们不发射辐射。

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