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逆康普頓散射打造“史上最強的光”

2019年12月03日 10:20 来源:未知 手机版

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原標題:逆康普頓散射打造“史上最強的光”

宇宙深處,一顆恆星即將死亡,它爆發出的驚人能量以光速前進,跨越50億光年旅程,突然造訪地球……

今年1月,人類觀測到有史以來最強的伽馬射線暴,其釋放的光子能量在0.2—1萬億電子伏特之間,其總輻射能量甚至超過了太陽在過去100億年中釋放的能量總和,堪稱“史上最強的光”。

近日,《自然》雜志發表了3篇論文,詳細闡述了這些高能光子如何形成。為此,科技日報記者採訪了南京大學天文與空間科學學院長江學者戴子高教授。

強大的射線起源仍是謎

伽馬射線是一種電磁輻射,主要來源於原子核的衰變,一個伽馬光子的能量是普通可見光中光子能量的100萬倍。伽馬射線暴,簡稱伽馬暴,是宇宙中伽馬射線強度在短時間內突然增強,隨后又迅速減弱的現象。

伽馬暴的持續時間不長,通常隻有幾毫秒到幾千秒,分為持續時間小於2秒的短暴與大於2秒的長暴。

伽馬暴的威力如此之強,所以一旦發生,被它近距離照射的區域將被“徹底清空”,任何生命都逃不過它的攻擊。

那麼,威力驚人的伽馬暴究竟是如何產生的呢?令人遺憾的是,伽馬暴仍是宇宙最大謎團之一。雖然,它早在1967年就被發現,但幾十年來,人們對其本質仍不清楚。

一般認為,長暴是在超大質量恆星耗盡核燃料時發生的。當恆星的核心坍縮為黑洞或中子星后,像噴泉一樣的物質噴流以接近光速的速度向外沖出,這個過程就會產生伽馬暴,同時可能產生超新星爆發。而短暴,研究人員認為,是由兩個中子星碰撞產生的。當兩個中子星碰撞時,也會產生黑洞或中子星,像長暴一樣,也有噴流以接近光速的速度向外沖出,進而形成伽馬暴,同時產生引力波事件,如GW170817。

精准觀測揭秘高能輻射成因

從發現伽馬暴的那天起,人類就迫切地想弄明白它的起源和輻射機制。不過,它發生得太突然,以至於科學家還沒來得及將觀測設備對准它時,就已經結束了。

但這次與過去不一樣,得益於全球協作,有多個觀測設備記錄到這一驚人的伽馬暴。科學家將這個來自宇宙深處的爆炸命名為GRB 190114C,當它產生的伽馬暴抵達地球時,被兩顆衛星探測到。不到22秒,爆炸的坐標信息就已發送到全世界天文學家手中。

戴子高說,伽馬暴的高能輻射機制一直是該領域的疑難問題。科學界認為,這樣的輻射可能有三種成因,一是產生於高能電子的同步輻射,二是逆康普頓散射,三是強子過程(即高能質子與光子或高能質子與質子的相互作用)。

以前探測到的伽馬暴的光子能量相對比較低,是電子同步輻射驅動的結果,這種情況比較常見。但是此次探測到的伽馬射線光子能量極其驚人,顯然不是來自同步輻射。

科學家將它與2018年7月的GRB 180720B伽馬暴進行對比研究,有了進一步發現,認為這種輻射機制來自逆康普頓散射。

“高能電子與低能光子發生碰撞,結果是高能電子把其能量轉移給低能光子,獲得了高能光子,這個過程為逆康普頓散射。”戴子高進一步解釋說,這一次觀測到的高能光子流量,明顯高於同步輻射從低能段向高能段的延伸,所以它隻能產生於相對論沖擊波的逆康普頓散射。

伽馬暴之所以廣受關注,是因為它形成於宇宙早期階段,科學家們可以利用它來研究早期宇宙的性質。

有科學家認為,這次伽馬暴所發出的輻射能量是人類觀測史上最強的,這也成為了天文學史上的一個裡程碑。

“這次觀測証實了伽馬射線暴在MeV(兆電子伏特)能段的輻射機制為同步輻射,而在高能段的機制為逆康普頓散射。”戴子高說道。

另外,我國的“慧眼”硬X射線調制望遠鏡(HXMT)已於2017年發射運行,而空間變源監視器(SVOM)、愛因斯坦探針(EP)、X射線時變和偏振探測器(eXTP)以及引力波暴高能電磁對應體全天監測器(GECAM)等項目正處在不同的研究階段,它們的成功實施將使我國在伽馬暴探測上達到國際先進水平。未來,這些設備將為伽馬暴研究貢獻出中國學者的力量。(記者 張曄)

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