逆康普頓散射創造“歷史上最強的光”

                • 2019-12-03 17:03
                • 科技日報

                在宇宙深處,一顆恒星即將死亡。它發出的驚人能量以光速傳播,跨越50億光年,突然造訪地球……”今年1月,人類觀測到歷史上最強的伽馬射線風暴,釋放出0.2-1萬億電子伏特之間的光子能量,其總輻射能量甚至超過了過去100億年太陽釋放的能量總和,使其成為“歷史上最強的光”。

                最近,《自然》雜志發表了3篇論文,詳細介紹了這些高能光子是如何形成的。為此,《科學技術日報》記者采訪了南京大學天文與空間科學學院長江學者戴子高教授。

                強輻射的起源仍然是個謎

                伽馬射線是電磁輻射,它主要來自原子核的衰變。伽馬光子的能量是普通可見光光子的一百萬倍。伽瑪射線暴,簡稱伽瑪暴,是宇宙中伽瑪射線的強度在短時間內突然增加,然后迅速降低的現象。

                伽馬射線爆發持續時間不長,通常只有幾毫秒到幾千秒,分為持續時間不到2秒的短爆發和持續時間超過2秒的長爆發。

                伽馬射線爆發如此強大,一旦爆發,靠近它們的區域將會“完全清空”,沒有生命能夠逃脫它們的攻擊。

                那么,強大的伽馬射線爆發是如何產生的?不幸的是,伽馬射線爆發仍然是宇宙中最大的謎團之一。盡管早在1967年就被發現,但幾十年來它的性質仍不清楚。

                人們普遍認為,當超大質量恒星耗盡核燃料時,就會發生長時間的風暴。當一顆恒星的核心塌陷成黑洞或中子星時,一股噴泉狀的物質射流以接近光速的速度沖出,產生伽馬射線爆發,并可能產生超新星爆炸。研究人員認為,短時間爆發是由兩顆中子星碰撞造成的。當兩顆中子星碰撞時,它們也會產生黑洞或中子星。像長風暴一樣,噴射流也以接近光速的速度沖出,從而形成伽馬風暴和引力波,如GW170817。

                精確觀測揭示高能輻射的原因

                自從伽馬射線爆發被發現的那天起,人類就一直渴望了解它的起源和輻射機制。然而,事情發生得如此突然,以至于科學家們還沒來得及用他們的觀測設備瞄準它,事情就結束了。

                但是這一次,不同于過去,由于全球合作,幾個觀測設備已經記錄了這次驚人的伽馬射線爆發??茖W家們將這次宇宙深處的爆炸命名為GRB 190114年。當它產生的伽馬射線爆發到達地球時,它被兩顆衛星探測到。在不到22秒的時間里,爆炸的坐標被發送給了世界各地的天文學家。

                戴子高說伽馬射線爆發的高能輻射機制一直是這個領域的難題??茖W界認為這種輻射可能有三個原因:第一,高能電子產生的同步輻射;第二,逆康普頓散射;第三,強子過程(即高能質子和光子或高能質子和質子之間的相互作用)。

                先前探測到的伽馬暴的光子能量相對較低,這是電子同步輻射驅動的結果。這很常見。然而,這次探測到的伽馬射線的光子能量極其驚人,顯然不是來自同步加速器輻射。

                科學家將其與2018年7月的GRB 180720B伽馬風暴相比較,進一步發現輻射機制來自康普頓逆散射。

                ”高能電子與低能光子碰撞。結果,高能電子將其能量轉移到低能光子并獲得高能光子。這個過程是逆康普頓散射?!贝髯痈哌M一步解釋說,這次觀測到的高能光子通量明顯高于同步輻射從低能區向高能區的擴展,因此它只能由相對論沖擊波的逆康普頓散射產生。

                伽馬射線爆發引起了廣泛關注,因為它形成于宇宙早期,科學家可以用它來研究早期宇宙的性質。

                一些科學家認為這場伽馬風暴發射的輻射能是人類觀測史上最強的,這也成為天文學史上的一個里程碑。

                ”這一觀察證實了伽馬射線在兆電子伏(兆電子伏)中爆發的輻射機制

                此外,中國的“眼睛”硬x光調制望遠鏡(HXMT)已于2017年發射運行,而空間可變源監測儀(SVOM)、愛因斯坦探測器(EP)、x光時變偏振探測器(eXTP)和引力波爆發高能電磁通信全天監測儀(GECAM)等項目正處于不同的研究階段。它們的成功實施將使中國在伽馬射線爆發探測方面達到國際先進水平。將來,這些裝置將為中國學者研究伽馬射線爆發貢獻力量。

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