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《自然•天文学》报道南大研究团队发现史上最短的II型伽马射线暴

   伽(jia)(jia)马(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)(bao)(简称伽(jia)(jia)马(ma)暴(bao)(bao)),是(shi)迄今为(wei)止观测到(dao)的(de)(de)(de)宇(yu)宙中最剧烈的(de)(de)(de)天体爆发(fa)现象。在统(tong)计上,伽(jia)(jia)马(ma)暴(bao)(bao)瞬时辐射(she)(she)的(de)(de)(de)持续时间的(de)(de)(de)分布呈现双(shuang)峰结构(gou),以两秒为(wei)界将(jiang)其分为(wei)长伽(jia)(jia)马(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)(bao)(长暴(bao)(bao))和短伽(jia)(jia)马(ma)射(she)(she)线(xian)暴(bao)(bao)(短暴(bao)(bao))。长久以来,通过多波段(duan)性质(zhi)的(de)(de)(de)研(yan)究,人们认为(wei)这两类(lei)暴(bao)(bao)有着非(fei)常不同的(de)(de)(de)物理起(qi)源。通常认为(wei)长暴(bao)(bao)是(shi)超大质(zhi)量(liang)恒(heng)星演(yan)化到(dao)晚期死(si)亡时坍缩的产物,而短暴是由致密双(shuang)星(xing)并合(如中子星(xing)-中子星/黑洞并合)所产生。

GRB 200826A 艺术想象图(图片来源:爱游戏官网 http://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-fermi-spots-a-supernova-s-fizzled-gamma-ray-burst/


    

    然而2006年以来,人们逐(zhu)渐发(fa)现仅依据持续时间的(de)长(zhang)短来判定伽(jia)马暴(bao)的(de)物理起源和分类(lei)的(de)作法面(mian)临诸多挑战。一方面(mian),一些高红移或较弱(ruo)的(de)长(zhang)暴(bao),由(you)于仪器(qi)的(de)探测(ce)灵敏度问题,很可能表现为观(guan)测(ce)上的(de)短暴(bao),就(jiu)像只被观(guan)测(ce)到了冰山一角。另一方面(mian),人们发现(xian)一些短暴(bao)带着长长的尾巴,尽管(guan)严格(ge)按照爆发持续时间定(ding)义(yi)属于长暴,然而(er)其(qi)所有的(de)其(qi)他特征(如能量、宿主星系、有无超新星关联等(deng))却符(fu)合典(dian)型(xing)短暴的(de)性质。因此(ci),为了避免上(shang)述混淆,科学家们提出,可以用“ I “II 型(xing)暴来(lai)替换原来(lai)长短暴(bao)的分类名称(cheng)。即 I 型暴指(zhi)由双(shuang)致密星并合产生的伽马暴(典型为短暴), II  型暴(bao)指(zhi)由大质量恒星(xing)坍缩产生(sheng)的伽马暴(bao)(典型为长暴(bao))。

 

    值(zhi)得一提的(de)是(shi),对大部分呈现为短时标(如<2秒)的 II  型暴,人们(men)始终用观(guan)测效(xiao)应(ying)(如仪(yi)器灵(ling)敏度、冰(bing)山(shan)效(xiao)应(ying))来解释(shi)其表(biao)象(xiang)的短(duan),却不相信大质量(liang)恒(heng)(heng)星(xing)的坍缩能(neng)够产生一个持(chi)续(xu)时(shi)间非(fei)常短(duan)的爆发。这是因为伽马暴中心引擎的活(huo)动时(shi)标是由中心黑洞吸积周(zhou)围(wei)物质所耗费的时(shi)间所决定,而后者直接跟大质量(liang)恒(heng)(heng)星(xing)的密度有关。在(zai)传统(tong)的恒(heng)(heng)星(xing)密度下,这一时(shi)标典(dian)型值为百秒,即使考(kao)虑极端情况,理(li)论(lun)学家也非(fei)常自(zi)信的推断II型伽马(ma)暴的爆(bao)发时间最短(duan)也不(bu)会(hui)低于(yu)十秒。

 

    上(shang)述的推断在2020年(nian)8月(yue)26日迎来(lai)了(le)巨大的(de)挑(tiao)战。当天发生(sheng)了(le)一例非常特(te)殊的(de)II型伽马射(she)线暴(bao),编号GRB 200826A。爱游戏官网张彬彬老师研究小组与合(he)作者对其进行了全(quan)面的(de)观(guan)测和分(fen)析,发现该暴的(de)所有物理特征, 包(bao)括宿主(zhu)星(xing)系及其恒星(xing)形成率、能(neng)量统计(ji)关(guan)系(图(tu)1)、超新星关联等,都表明其为非常(chang)典(dian)型的来自大质(zhi)量恒星坍缩的II型(xing)伽马暴。然而,此(ci)暴持续时间仅有0.96秒,其光变曲(qu)线(伽马光子(zi)计(ji)数随时(shi)间的变化曲(qu)线,图(tu)1)呈现了(le)极强(qiang)信噪比,意味着以(yi)往(wang)冰山一(yi)角(jiao)的解释不再成为(wei)可(ke)能。因(yin)此(ci),GRB 200826A 是一例非常(chang)特殊的爆发(fa)时间只(zhi)有1秒(miao)的(de)II型暴。这也是(shi)人们首(shou)次(ci)观测到(dao)瞬时辐(fu)射(she)时标(biao)短于(yu)两秒但(dan)起源于(yu)大质(zhi)量恒星坍(tan)缩的伽马暴。

1 GRB 200826A 的(de)光变曲(qu)线及其(qi)Amati关系图。图片来源:爱游戏官网 Zhang, B.-B., Liu, Z.-K., Peng, Z.-K. et al 2021, 

Nature Astronomy,

    

    GRB 200826A的(de)出现挑战了人(ren)们爱(ai)游戏官网伽马(ma)暴爆发(fa)时间(jian)及(ji)相(xiang)关物(wu)理模型(xing)的(de)认(ren)知。这一奇异事(shi)件(jian)的(de)发(fa)生再(zai)次让(rang)人(ren)们重新审视伽马(ma)暴中心(xin)引(yin)擎的(de)多(duo)样性。在发(fa)表于《自然(ran)天文学(xue)》的一(yi)篇论文[1]中,张彬彬带领研究团队指出了几种可能性: (1)大质量恒星坍缩成黑洞之后(hou)伽(jia)(jia)马暴并没有立(li)即产生,而是等黑洞扫清了周围重(zhong)子物质之后(hou)才(cai)产生伽(jia)(jia)马暴;(2)恒星坍缩之(zhi)后(hou)形成的(de)喷流(liu)将大部(bu)分时(shi)间用(yong)在突破抛射物包层(ceng),突破之(zhi)后(hou)只有很少(shao)的(de)一部(bu)分被我们观测到;3)大质量恒星(xing)坍(tan)缩后并没有(you)直接形(xing)成(cheng)黑洞,而(er)是先坍(tan)缩成(cheng)大质量磁(ci)(ci)星(xing),磁(ci)(ci)星(xing)的(de)(de)较(jiao)差自(zi)转通(tong)过磁(ci)(ci)重联过程产生磁(ci)(ci)泡作为此伽马暴的(de)(de)中心引擎。无论(lun)哪种理论(lun)解释(shi),都需要(yao)将来进一步的(de)(de)观测、数据的(de)(de)检验,以(yi)及更多理论(lun)细节的(de)(de)支持(chi)。而(er)发表在同期(qi)的(de)(de)《自(zi)然天文(wen)学》另一篇论文(wen)[2]中,美国NASA、马里兰大(da)学、加州理工大(da)学等科学家团(tuan)队通过地面的丰(feng)富观测数(shu)据,佐(zuo)证了上述观测的II型暴(bao)事实和理(li)论(lun)推测。著名天体物理(li)学家Amati同期发表观点(dian)评论《To be short or long is not the question[3]. NASA也(ye)在(zai)第一时(shi)间报道了这一事件,并(bing)引述了南大团队的(de)工作和(he)观点[4]

 

    该项成果(guo)以“A Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse”为题,以爱游戏官网为第一(yi)(yi)作者(zhe)单位和第一(yi)(yi)通讯单位发表(biao)于《自然(ran)天(tian)文(wen)学(xue)(xue)(xue)(xue)》,爱(ai)游(you)戏官网张彬彬老师(shi)和内华达大(da)学(xue)(xue)(xue)(xue)张冰老师(shi)为该文(wen)的通讯(xun)作(zuo)者,爱(ai)游(you)戏官网研究(jiu)(jiu)生刘(liu)子科和彭宗开为该论文(wen)的共(gong)同(tong)第一作(zuo)者,北京大(da)学(xue)(xue)(xue)(xue)、河北师(shi)范大(da)学(xue)(xue)(xue)(xue)、广西大(da)学(xue)(xue)(xue)(xue)、云南天(tian)文(wen)台(tai)、西班(ban)牙安达卢西亚(ya)天(tian)体物理研究(jiu)(jiu)所、中(zhong)国(guo)科技(ji)大(da)学(xue)(xue)(xue)(xue)等多(duo)位专家(jia)学(xue)(xue)(xue)(xue)者共(gong)同(tong)参(can)与了(le)这一研究(jiu)(jiu)工作(zuo)。本工作(zuo)得到(dao)国(guo)家(jia)自然科学(xue)(xue)(xue)(xue)基(ji)金、科技(ji)部(bu)重点研发(fa)计划(hua)、江苏省双(shuang)创人才(cai)计划(hua)、中(zhong)央高校(xiao)基(ji)本科研业务费专项(xiang)资金等多(duo)项(xiang)支持。

 

 

文章链(lian)接:

[1]       Zhang, B.-B., Liu, Z.-K., Peng, Z.-K. et al,  A Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse , Nature Astronomy (2021),
http://www.nature.com/articles/s41550-021-01395-z

[2]       Ahumada, T., et al. Discovery and confirmation of the shortest Gamma Ray Burst with a collapsar. Nature Astronomy (2021),

[3]       Amati, L. To be short or long is not the question. Nature Astronomy (2021). http://doi.org/10.1038/s41550-021-01401-4

[4]       http://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-fermi-spots-a-supernova-s-fizzled-gamma-ray-burst




 


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