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》