【正见新闻网2021年06月05日】
图：伽马射线暴概念图。 Credit: DESY, Science Communication Lab
最近，科学家们成功获得了迄今为止最强大的宇宙爆炸之一的最佳观测，它发生在与我们很接近的宇宙空间中。
研究团队使用HESS望远镜观测了目前能量最高也是持续最长时间的伽马射线暴（GRB）的余辉。令人惊讶的是，观测结果和GRB 的现有理论有严重冲突。
“伽马射线暴是在天空中观察到的明亮X 射线和伽马射线闪光，来自遥远的银河系外，”论文的作者之一、DESY 科学家西尔维娅·朱(Sylvia Zhu)在一份声明中解释说。
她继续说道，“它们是宇宙中最大的爆炸，并且与一颗快速旋转的大质量恒星坍塌成黑洞有关。释放的引力能量的一部分为超相对论爆炸波的产生提供了能量。它们的发射分为两部分不同的阶段：一个持续数十秒的初始混乱瞬发阶段，然后是一个持久、平滑消退的余辉阶段。”
该伽马暴首次报导是在 2019 年 8 月 29 日，当时费米(Fermi telescope)和斯威夫特(Swift telescope)太空望远镜探测到了波江座方向的伽马射线爆发。
该事件被称为GRB 190829A，是至今观测到的最近的GRB之一，距离地球仅 10 亿光年，而其它GRB通常距离地球约 200 亿光年。
“当伽马射线爆发发生时，我们真的坐在前排观看，”来自DESY的合著者安德鲁·泰勒(Andrew Taylor)在上述声明中解释道。
当HESS望远镜可以看到它时，研究团队立即观察了它的来源。
“我们可以观察几天的余辉和前所未有的伽马射线能量，”泰勒继续说道。
由于这个GRB离我们很近，这使得科学家可以在非常高的能量范围内详细观察余辉的光谱。该团队能够追踪最初爆炸后三天的余辉。
“我们可以确定GRB 190829A 的伽马射线高达3.3 太电子伏特的能量，这大约是可见光光子的一万亿倍，”来自海德堡马克斯普朗克核物理研究所的合著者埃德娜·鲁伊斯-贝拉斯科(Edna Ruiz-Velasco)在上述声明中解释说。 “这就是这次伽马射线爆发的非凡之处——它发生在我们的宇宙后院，那里的高能光子在到达地球的途中与背景光发生碰撞时没有被吸收，因为它发生在宇宙中更近的距离.”
已建立的 GRB 理论普遍认为 X 射线发射源于 GRB 强磁场中相对论电子的同步辐射。
然而，即使对于最强大的爆炸，这种机制也不太可能直接产生观察到的超高能伽马射线。这是由于“燃尽极限”，这是由源内粒子的加速和冷却平衡决定的。产生非常高能量的伽马射线所需要的能量远远超出燃烧极限的电子。相反，目前的理论表明，同步辐射自身康普顿散射会产生超高能伽马射线，其中快速电子与同步辐射光子碰撞，从而将它们提升到伽马射线能量。
但是现在对 GRB 190829A 余辉的观测表明，X 射线和伽马射线这两种成分同步消退。此外，伽马射线光谱与 X 射线光谱的明显能相互连接。这对超高能伽马射线发射的同步辐射自身康普顿散射理论提出了严峻挑战。
“我们的观察揭示了爆发余辉的 X 射线和超高能伽马射线发射之间奇怪的相似之处，”朱在同一份声明中解释道。
因此，新的结果有力地表明，这次余辉事件中的 X 射线和超高能伽马射线是由相同的机制产生的。
“如果这两个能量范围内的发射具有不同的起源，那么在X 射线和超高能伽马射线能带中观察到如此非常相似的光谱和时间特征是相当出乎意料的，”论文合作者，日本立教大学的德米特里·康古良(Dmitry Khangulyan)在上述声明中说。
这项研究的深远影响凸显了对超高能伽玛暴余辉发射进行进一步研究的必要性。早期对极高能量的 GRB 的探测发生在宇宙中更远的地方，它们的余辉只能观察到几个小时，而且达不到超过1太电子伏 (TeV) 的能量。
“展望未来，由目前在智利安第斯山脉和拉帕尔马加那利岛上建造的切伦科夫望远镜阵列等下一代仪器探测伽马射线爆发的前景看起来很有希望，”HESS发言人史蒂芬·瓦格纳( Stefan Wagner)在上述声明中表示。 “伽马射线暴的普遍丰度使我们预期在极高能带中的常规探测将变得相当普遍，这有助于我们充分了解它们的物理机制。”
新结果发表在2021年6月4日的《科学》杂志上。