長達數十年的伽馬射線爆發謎題獲得解決
恆星爆炸產生伽馬射線暴的驅動因素是長期存在的謎題,近日,由英國巴斯大學(University of Bath)領導的國際天文學家團隊測量了伽馬射線暴的磁場,首次證實了長達數十年的理論預測:在噴射出的物質撞擊並衝擊周圍介質後,這些衝擊波中的磁場會變得混亂。新研究發現,最強大的伽馬射線暴可以由大規模有序磁場提供動力。
當遙遠星系中的一顆大質量恆星(至少比太陽大四十倍)死亡時,在爆炸之後會產生衝擊波,並以接近光速的速度旋轉形成黑洞,這一過程能量極高,會向外拋出所有物質,也會產生極其明亮的伽馬射線暴。
當旋轉的黑洞形成時,磁場扭曲成螺旋形,可以聚焦和加速噴出物質的運動。我們無法直接看到磁場,但它們的特徵體現在圍繞磁場線旋轉的帶電粒子(電子)產生的光中。
這次巴斯團隊對伽馬射線暴141220A進行分析,通過測量光的偏振特質,直接探測驅動爆炸的磁場的物理性質。
研究人員預測,當膨脹的激波鋒與周圍的恆星碎片碰撞時,任何原始磁場最終都會摧毀。根據預測,在大尺度原始場仍然完整併驅動物質外流的情況下,在爆發後不久就會有超過一成水平的偏振光。隨後,由於光場在碰撞中打亂,光應該基本上不會偏振。
巴斯大學天體物理學系主任、伽馬射線專家卡羅爾·蒙代爾(Carole Mundell)教授的團隊在爆炸幾分鐘後首次發現了高度偏振的光,這證實了具有大規模結構的原始磁場的存在。但事實證明,正向衝擊擴大的前景更具爭議。
另一個團隊在較慢的時間(從爆發後數小時到一天)觀察到,伽馬射線暴的偏振水平非常低,顯示恆星的磁場早已摧毀,但無法說出何時或如何摧毀。相比之下,一組日本天文學家稱,在伽馬射線暴中發現10%的偏振光。研究人員認為,這可以用原始磁場在衝擊波中被摧毀之前產生的偏振光來解釋。
蒙代爾團隊報告說,在141220A爆炸僅90秒後,就發現了前激波光中極低的偏振。研究小組使用全自動利物浦望遠鏡和新型RINGO3偏振儀實現超高速觀測。RINGO3偏振儀記錄了伽馬射線暴的顏色、亮度、偏振度和衰減率。綜合這些數據,研究小組能夠證明:光線是由正向激波發出的;磁場長度比日本團隊推斷的要小得多;爆炸很可能是由黑洞形成的最初時刻有序磁場的崩塌所驅動。
蒙代爾說:「這個結果解決了這些極端宇宙爆炸一個長期難題。我們現在需要探測這些爆炸的最早時刻,捕捉顯著的爆炸,並將研究放到更廣泛的背景下,即對極端宇宙進行實時跟踪。」
【圖、文:節錄自科學網頁;新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2021年6月16日出版的英國《皇家天文學會月報》