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宇宙中会有风暴么 除了恒星离子风暴

发布时间:2019-09-21 17:46 来源:未知 编辑:admin

  艺术家达纳·贝里描绘了一颗中子星落入一个黑洞时产生的短伽玛暴(GRB)。天文学家们现在开始意识到,另一种剧烈事件也能产生短伽玛暴。

  就在天文学家们认为他们已经解决了天文学中最高深的谜团之一——短伽玛暴的起源之时,大自然又让他们大吃了一惊。所谓的“短伽玛暴”通常会在一个强烈的高能辐射脉冲中,释放出相当于十亿颗太阳的能量,这种脉冲最多持续两秒钟。多亏了NASA的雨燕号(Swift)和HETE-2号卫星,天文学家们已经在过去的几年中,向着理解这种神秘莫测的爆炸,大大地迈进了一步。但是科学家们 发现,他们收集的数据越多,知道的似乎就越少。

  几个月前,天文学家、新闻机构和媒体都宣称,短伽玛暴之谜已经被破解了。根据雨燕号和HETE-2对几个短伽暴位置的精确测定,以及太空和地面望远镜对它们所做的后续观测,大部分天文学家都确信,短伽玛暴是由两颗中子星,或者一颗中子星和一个黑洞,灾变性地并合而引发的。这种起源不同于持续时间超过2秒的伽玛暴(长伽玛暴),后者与大质量恒星的爆炸有关。[译注:关于当时的报道,详见网上天文台的译文《破解短伽玛暴之谜》、《古老的恒星与神秘的宇宙爆炸》和《黑洞吞食中子星的证据》。]

  然而,最近的观测证明,短伽玛暴远比天文学家们所认为的更加复杂和多样,许多不同的剧烈过程也许都会产生短伽玛暴。正如乔舒亚·布鲁姆(Joshua Bloom,加州大学伯克利分校)解释的那样,“我认为距离盖棺定论还差得很远。大自然不会轻易放过我们。”

  根据并合模型,当两颗中子星盘旋着撞在一起时,最后产生的天体通常会立即坍缩成一个黑洞。少量的残余气体会在黑洞周围形成一个小盘。当盘中的物质旋入黑洞时,磁场会将一部分物质引导到一对喷流之中, 沿着相反的方向以接近光速的速度喷射出去。喷流中动荡的激波产生了伽玛暴。这种模型似乎可以漂亮的解释短伽玛暴,包括它们短暂的持续时间,它们的能量,还有它们远离恒星形成区域的位置。

  但是,短伽玛暴与理论学家们的预期并不一致。例如,雨燕号在2005年7月9日观测到一个短暴,在7月24日观测到另一个短暴。这两个伽玛暴都在主暴[译注:即主要的伽玛暴脉冲]出现的几分钟之后,伴随有强烈的X射线闪光。这些随之而至的闪光所包含的总能量几乎与主暴本身包含的能量相同。并合模型无法预言这些闪光,因为它预言几乎所有的残留气体都会在一到两秒内落入黑洞之中。中央引擎会因为燃料的缺乏而迅速关闭,无法产生出后续闪光。

  2005年12月21日观测到的另一次短伽玛暴震惊了天文学家,因为它的总能量大约与一次典型的长伽玛暴相同。这与先前研究过的短伽玛暴形成了鲜明的对比,那些伽玛暴释放的能量最多只有长暴能量的10%。射电观测还表明,12月21日事件的中央引擎持续地将能量注 入周围的气体之中,这个过程一直持续到最初爆发的几个小时之后。“这很难与并合模型,或者任何模型相符,”艾丽西娅·索德伯格(Alicia Soderberg,加州理工)说,她领导的一个小组在射电、光学和X射线波段研究了这个伽玛暴。

  这些发现正在挑战理论学家们的创造力,迫使他们想出新的解释。一些研究者正在抛弃并合模型,而另一些则试图调整这个模型,来解释X射线闪光。“理论学家们已经削尖了他们的铅笔,并且意识到还有其他的方法能够产生出一个短伽玛暴,”雨燕号的首席科学家尼尔·格雷斯(Neil Gehrels,NASA/哥达德太空飞行中心)说。

  这是一个计算模拟的截图,显示了一个短伽玛暴的冲击波向外扩大,击中并且包裹住一颗伴星的过程。这种剧烈的相互作用可以在爆发的几秒到几分钟之后产生出X射线闪光。令人惊讶的是,这颗恒星(右侧的蓝紫色圆圈)可以在这种剧烈的干扰下存活下来。

  在一篇投稿给《天体物理杂志(Astrophysical Journal)》的论文中,安德鲁·麦克菲迪恩(Andrew MacFadyen,普林斯顿高等学术研究所)和两位同事提出,一些短伽玛暴的前身天体可能是双星系统,由一颗中子星和一颗普通恒星构成。普通恒星上流出的物质在中子星上堆积,直到中子星无法再承受这些重量。它会引力坍缩成一个黑洞,引发一个短伽玛暴。剧烈的爆炸会接近光速向外抛出物质。其中一些物质会击中那 颗伴星,产生出一个X射线日的《科学(Science)》杂志上,戴子高(Zigao dai,中国南京大学)和三位同事提出了一种模型,可以挽救并合模型,同时还能解释X射线闪光。在这种模型中,两颗相对较轻的中子星并合,产生出一个短伽玛暴。但是两个天体的总质量仍然保持在一颗中子星的质量上限以下,因此并合产生了一颗较重的中子星,质量约为太阳的3倍。新形成的中子星以每秒上百次的频率自转。就像太阳赤道区域的自转速度快于两极一样,“较差自转(differential rotation)” 也会在这颗中子星内部绕紧磁力线。磁致应力(Magnetic stress)会聚积几十秒,直到这种郁积起来的能量在一场强烈的爆炸中释放出来。这种爆炸会抛出大块的物质,形成一个强烈的火球。当移动较快的团块撞上移动较慢的团块时,它们就会产生出X射线闪光,其性质与雨燕号观测到的X射线闪光相似。这个过程可以重复发生好几次,因此戴子高的模型可以解释为什么7月 24日的伽玛暴产生了5次X射线闪光。

  布鲁姆和麦克菲迪恩都很快从超新星中找到了类似之处。其中一些超新星是爆炸的大质量恒星,另一些则是爆炸的白矮星。尽管这两种主要的超新星机制相当不同,但它们产生的爆炸都处于相同的能量级别,这确实是自然的巧合。“我认为短伽玛暴可能也存在着多种起源,就像超新星的情况一样,”麦克菲迪恩说。

  天文学家们已经知道,也许有10%的短伽玛暴与并合无关。这些事件起源于邻近的星系,是由高度磁化的中子星,即所谓的磁星(magnetar),释放出剧烈的耀闪,在短短一两秒内产生出大量伽玛射线而形成的。这样的耀闪在2004年12月27日被观测到,来自于银河系中的一颗磁星。六艘太空船可能还在去年11月3日观测到了一次银河系外的磁星耀闪,它来自于M81星系团。从观测的角度来说,这次事件看起来非常像一个典型的短伽玛暴。但是它的起源也许完全不同于大部分短伽玛暴。[译注,关于这两次磁星闪耀事件,详见上海网上天文台的译文《最明亮的爆发》和《来自河外星系的强烈磁星爆发》。]

  理论学家们已经设想了其他罕见的剧烈过程,它们也能释放出短暂的伽玛射线爆发,并且达到令人惊愕的能量级别。一种可能的情况被称为“上新星(supranova)”[译注:这个术语还没有标准的中文译名,这里只是临时的译名]。在这种情况下,一颗大质量恒星的坍缩核心产生了一个超重的中子星, 它实际上已经超出了一颗中子星的质量上限(其数值介于2到3倍太阳质量之间)。如果这颗中子星超高速自转,离心力就能暂时阻止它坍缩成一个黑洞。但是最终自转 会减慢下来,中子星会坍缩成黑洞,在这个过程中引发一场延迟的短伽玛暴。

  雨燕号、HETE-2和其他天文台未来的观测,也许会揭露出新的短伽玛暴种类,或者帮助天文学家们解开这个谜团。如果一个短伽玛暴发生在一个邻近的星系中,诸如LIGO这样的引力波天文台也许就能看到这个剧烈事件在时空结构中产生的波纹。这种同步观测也许能够为破解这个谜题提供关键线索。

  与此同时,天文学家们还在努力破解长伽玛暴的细节。存在着大量无可辩驳的证据,表明这些爆炸代表了一颗大质量恒星的坍缩,这些恒星自转迅速,拥有较低的重元素浓度。这些坍缩也会产生一个超新星爆发。天文学家们希望,2月18日观测到的一个相对邻近的长暴,可以在伽玛暴和超新星之间的联系方面,提供新的细节。[译注:关于这个邻近的伽玛暴,详见网上天文台的译文《最邻近的伽玛射线暴》。]

  对于短暴,麦克菲迪恩说,“最重要的事情是,保持一个开放的头脑。中子星的并合并不是最终的盖棺定论。”

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