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逆康普顿散射打造“史上最强的光”

发布时间:2019-12-03 09:52:51
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  科技日报记者 张 晔

  宇宙深处,一颗恒星即将死亡,它爆发出的惊人能量以光速前进,跨越 50 亿光年旅程,突然造访地球……

  今年 1 月,人类观测到有史以来最强的伽马射线暴,其释放的光子能量在 0.2—1 万亿电子伏特之间,其总辐射能量甚至超过了太阳在过去 100 亿年中释放的能量总和,堪称“史上最强的光”。

  近日,《自然》杂志发表了 3 篇论文,详细阐述了这些高能光子如何形成。为此,科技日报记者采访了南京大学天文与空间科学学院长江学者戴子高教授。

  强大的射线起源仍是谜

  伽马射线是一种电磁辐射,主要来源于原子核的衰变,一个伽马光子的能量是普通可见光中光子能量的 100 万倍。伽马射线暴,简称伽马暴,是宇宙中伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象。

  伽马暴的持续时间不长,通常只有几毫秒到几千秒,分为持续时间小于 2 秒的短暴与大于 2 秒的长暴。

  伽马暴的威力如此之强,所以一旦发生,被它近距离照射的区域将被“彻底清空”,任何生命都逃不过它的攻击。

  那么,威力惊人的伽马暴究竟是如何产生的呢?令人遗憾的是,伽马暴仍是宇宙最大谜团之一。虽然,它早在 1967 年就被发现,但几十年来,人们对其本质仍不清楚。

  一般认为,长暴是在超大质量恒星耗尽核燃料时发生的。当恒星的核心坍缩为黑洞或中子星后,像喷泉一样的物质喷流以接近光速的速度向外冲出,这个过程就会产生伽马暴,同时可能产生超新星爆发。而短暴,研究人员认为,是由两个中子星碰撞产生的。当两个中子星碰撞时,也会产生黑洞或中子星,像长暴一样,也有喷流以接近光速的速度向外冲出,进而形成伽马暴,同时产生引力波事件,如 GW170817。

  精准观测揭秘高能辐射成因

  从发现伽马暴的那天起,人类就迫切地想弄明白它的起源和辐射机制。不过,它发生得太突然,以至于科学家还没来得及将观测设备对准它时,就已经结束了。

  但这次与过去不一样,得益于全球协作,有多个观测设备记录到这一惊人的伽马暴。科学家将这个来自宇宙深处的爆炸命名为 GRB 190114C,当它产生的伽马暴抵达地球时,被两颗卫星探测到。不到 22 秒,爆炸的坐标信息就已发送到全世界天文学家手中。

  戴子高说,伽马暴的高能辐射机制一直是该领域的疑难问题。科学界认为,这样的辐射可能有三种成因,一是产生于高能电子的同步辐射,二是逆康普顿散射,三是强子过程(即高能质子与光子或高能质子与质子的相互作用)。

  以前探测到的伽马暴的光子能量相对比较低,是电子同步辐射驱动的结果,这种情况比较常见。但是此次探测到的伽马射线光子能量极其惊人,显然不是来自同步辐射。

  科学家将它与 2018 年 7 月的 GRB 180720B 伽马暴进行对比研究,有了进一步发现,认为这种辐射机制来自逆康普顿散射。

  “高能电子与低能光子发生碰撞,结果是高能电子把其能量转移给低能光子,获得了高能光子,这个过程为逆康普顿散射。”戴子高进一步解释说,这一次观测到的高能光子流量,明显高于同步辐射从低能段向高能段的延伸,所以它只能产生于相对论冲击波的逆康普顿散射。

  伽马暴之所以广受关注,是因为它形成于宇宙早期阶段,科学家们可以利用它来研究早期宇宙的性质。

  有科学家认为,这次伽马暴所发出的辐射能量是人类观测史上最强的,这也成为了天文学史上的一个里程碑。

  “这次观测证实了伽马射线暴在 MeV(兆电子伏特)能段的辐射机制为同步辐射,而在高能段的机制为逆康普顿散射。”戴子高说道。

  另外,我国的“慧眼”硬X射线调制望远镜(HXMT)已于 2017 年发射运行,而空间变源监视器(SVOM)、爱因斯坦探针(EP)、X射线时变和偏振探测器(eXTP)以及引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)等项目正处在不同的研究阶段,它们的成功实施将使我国在伽马暴探测上达到国际先进水平。未来,这些设备将为伽马暴研究贡献出中国学者的力量。

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