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伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)

2015/5/20 — 17:42

Credit: National Science Foundation

Credit: National Science Foundation

(編按:以下皆為譯文,所有內容已經原作者以及博客批准使用。)

作者:Prof. Jochen Greiner, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

譯者:Hoi-Fung David Yu (余海峯), Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany

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德文原文來自:GRB 121024A - zirkulare Polarisation verblüfft Forscher

文章內容來源:

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Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A, Klaas Wiersema et al. 2014, Nature, 509, 7499 (「自然」雜誌第 509 卷 7499 號,2014 年 5 月 8 日發行)

http://dx.doi.org/10.1038/nature13237(電子版於 2014 年 4 月 30 日出版)

摘要

根據目前的標準模型,伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet) 。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow) 。測量餘輝的偏振 (polarization) 能夠得知噴流的磁場特性和幾何結構。理論模型預測它們是低線性 (low linear) 和沒有圓形偏振 (circular polarization) 的。

這裡介紹的甚大望遠鏡 (ESO智利) 的測量結果顯示了首個有圓形偏振的伽瑪射線暴餘輝。利用馬克斯.普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) 的GROND儀器的光度測量,排除其他解釋後發現伽瑪射線暴噴流必定產生圓形偏振。這導致令人震驚的推論:餘輝所產生的電子分佈必須是非常各向異性的 (very anisotropic)、或噴流是空心的並包裹在螺旋磁場之內,兩者都與標準模型的一般假設相左。因此我們需要新的模型來解釋伽瑪射線暴餘輝。

重要發現

一個國際研究小組利用一個很少使用的觀測模式的數據得到了關於伽瑪射線暴性質一些新的、意想不到的結論。

這些結果發表於今天的「自然」雜誌 (Nature) 上,當中包括餘輝的輻射機制和最新的理論模型。

這是首次於伽瑪射線暴餘輝中發現所謂的圓形偏振(見文章末延伸閱讀)。這些測量結果來自歐洲南方天文台 (ESO) 在智利的 8.2 米 VLT  望遠鏡的 FORS2 儀器。馬克斯.普朗克協會的拉西拉 2.2 米望遠鏡 (ESO 智利 ) 的 GROND 所同時測量的結果亦與此一解釋非常吻合。

文章合作作者 Jochen Greiner 說:「沒有任何伽瑪射線暴餘輝的理論能夠預測圓形偏振。這次測量到明顯的圓形偏振意味著我們對電子在衝擊波裡的加速和噴流的結構與磁場的認識必須大幅修改。」

甚麼是伽瑪射線暴?

伽瑪射線暴是宇宙中最強大的爆炸。通常在人造衛星上的科學實驗每天會偵測到一次這類以秒鐘計的伽瑪射線閃光。傳統認為這些閃光來自遙遠星系的大質量 恆星 (約 30 至 50 倍太陽質量)在其生命終結、塌縮變成黑洞的時候。它們塌縮時會產兩束方向相反的噴流並與周圍的星際物質碰撞——即所謂的餘輝碰撞——在一定程度上會於爆炸地點產生餘輝。餘輝在包括可見光內的所有波長上會持續好幾天。電子在衝擊波中會被加速至極高能量,這些電子會以接近光速飛行,在衝擊波的磁場內以同步輻射 (synchrotron radiation) 的方式產生餘輝。

加速過程的細節仍然是個謎。等效的實驗無法在地球上進行,也很難用電腦模擬去研究。因此,研究人員試圖測量來自餘輝的輻射的所有性質──關於偏振的研究亦越來越多。

我們有很多種電子加速和餘輝輻射機制的理論。所有這些模型都預測線性偏振而非圓形偏振。

「我們的合作是世界首個意識到這個困難測量的重要性、並系統地等待著特別合適的(擁有明亮餘輝的)伽瑪射線暴的研究,以盡可能低的極限去測量。」這項研究的主要作者、英國萊斯特大學的荷蘭天文學家 Klaas Wiersema 說。出乎意料之外,我們都測量到比預期更強的圓形偏振。

GROND的觀測結果支持這個理論

在解釋偏振數據之前,特別是在區分不同理論模型的時候,我們需要知道噴流的結構以及伽瑪射線暴周圍環境的資訊,這些訊息都會隨著輻射而來。當中兩個參數尤其重要:

一、在什麼時候能夠看到來自整個噴流的輻射?這可以從噴流物質的膨脹速度與噴流的延展角度的比值來確定。這個時間點的一個經典特徵是伽瑪射線暴的光變曲線的彎曲程度(圖四),我們可以參考GROND進行的、直到伽瑪射線暴爆發後 3.7×104 秒之連續幾個晚上的觀測。

二、有多少塵埃位於我們和伽瑪射線暴的視線之間?這種測量通常很困難,但 GROND 就是為此而設的:以七個波段同時觀察餘輝就可以測量塵埃量並準確 至百分之幾。塵埃會在光譜能量分佈 (spectral energy distribution) 中產生獨特的構造,塵埃量越多構造就越明顯(見圖五)。

「縱使 GROND 已經運作七年,它獲得的數據仍是獨一無二的,可以為這些偏振性質提供決定性的解釋。如果沒有這些額外信息,這項工作是不可能完成 的,因為我們有成打不同的解釋。」GROND的發明和建造者、加興 (Garching) MPE 的 Jochen Greiner 說。

觀測結果何以解釋?

圓形偏振可有多種成因,包括法拉第轉換(Faraday conversion ,即塵埃散射導致線性偏振變成圓形偏振)、或一直線上的塵埃粒子的多重散射。但所有這些其他解釋都需要比 GROND 所測定的多很多的 塵埃量去解釋圓形偏振,因此都被排除了。其他產生圓形偏振的理論則暗示所有線性偏振都源自散射——從而亦被排除了,因為第一晚與第二晚所觀察到的偏振角度 之間相差了九十度。因此,我們可以排除圓形偏振源自伽瑪射線暴噴流以外地點、即圓形偏振只會在伽瑪射線從發射源到地球之間產生的此一解釋。因此相反地,觀 測到的圓形偏振一定源自伽瑪射線暴噴流本身。

圓形偏振的這種性質導致一個非常有趣的結論:既然不能在一個電子-正電子電漿中產生圓形偏振,伽瑪射線暴噴流之中必定存在質子-電子電漿。這是非常 有趣的結論,因為最近的 IceCube 實驗並未觀察到來自伽瑪射線暴的中微子 (neutrino),所以對伽瑪射線暴噴流中存在中微子的懷疑已經漸漸變得強烈。

「在 GRB 121024A 中發現圓形偏振是新的希望, IceCube 實驗在未來仍然可能觀察到期待已久的中微子。」Jochen Greiner 說。

GRB 121024A 的可見光餘輝的圓形偏振的起源是一個令人興奮的謎題。星際介質衝擊波內的偏振應該與混沌運動的電子的洛倫茲因子 (Lorentz factor) 成反比──假設相對於噴流膨脹方向的電子分佈是各向同性的 (isotropic) 。因此,觀察到的強圓形偏振代表極小的電子洛倫茲因子,這與餘輝的標準模型完全不一致。這個結論獨立於磁場的影響範圍 (圖六),因為隨機分佈的磁場對線性和圓形偏振的影響應該相等。

由GROND的數據和對線性與圓形偏振的同時測量,根據目前所知只能有兩種可能的解釋:

一、電子的角擴散是各向異性的。這也與標準模型的通常假設相違背,但這已經因為伽瑪射線暴的其他未解性質而被提出過,卻從未發現任何觀測證據。

二、噴流是非同質的 (not homogeneous) ,但是空心的並包裹在螺旋磁場之內 (圖七),形狀像一個開瓶器,直徑越轉越闊。過去已經有人提出過中空噴流的可能性,但一直未有任何證據支持。

就目前所知,只有這兩個可能性能夠解釋觀測到的圓形偏振。每種情況都有其無可避免的推論,所以我們必須系統地檢驗各式各樣的觀測結果。因為這個測量,新一輪伽瑪射線暴餘輝標準模型的迭代經已展開,我們可以預期越來越豐富的變化。

「這一發現再次證明了小型望遠鏡對解釋來自大型望遠鏡如VLT, ESO的數據的重要性。」此研究的合作作者兼 GROND 團隊的成員、圖林根國家天文台  (Landessternwarte Thüringen)  的 Sylvio Klose 說。

圖片

圖一:線性偏振在餘輝時間內(約兩天) 的變化。上圖以百份比顯示偏振光的比例,下圖則顯示偏振角度。

圖一:線性偏振在餘輝時間內(約兩天) 的變化。上圖以百份比顯示偏振光的比例,下圖則顯示偏振角度。

圖二:在 GRB 121024A 中測量到的圓形偏振(左圖)與 GRB 091018的沒有圓形偏振的結果(右圖)作比較。圓形偏振以所謂的 Stokes V/I 參數的百份比顯示。

圖二:在 GRB 121024A 中測量到的圓形偏振(左圖)與 GRB 091018的沒有圓形偏振的結果(右圖)作比較。圓形偏振以所謂的 Stokes V/I 參數的百份比顯示。

圖三:不同的伽瑪射線暴之中測量到的線性與圓形偏振。一些類星體 (quasar) 也在圖中以作比較。很高興見到 GRB 121024A 的以其相對較高的圓形偏振度脫穎而出。

圖三:不同的伽瑪射線暴之中測量到的線性與圓形偏振。一些類星體 (quasar) 也在圖中以作比較。很高興見到 GRB 121024A 的以其相對較高的圓形偏振度脫穎而出。

圖四:七個不同波段的 GRB 121024A 餘輝的可見光/近紅外線(來自 GROND ,中間圖)和 X 光(來自 Swift 人造衛星,上圖)的光變曲線。可以見到在伽瑪射線暴加速後時間t = 10小時 (tbreak) 的時候亮度開始下降,這是平行噴流的明顯證據。

圖四:七個不同波段的 GRB 121024A 餘輝的可見光/近紅外線(來自 GROND ,中間圖)和 X 光(來自 Swift 人造衛星,上圖)的光變曲線。可以見到在伽瑪射線暴加速後時間t = 10小時 (tbreak) 的時候亮度開始下降,這是平行噴流的明顯證據。

圖五:爆發後三小時的 GRB 121024A 餘輝,由可見光/近紅外線(來自 GROND ,藍色點)到 X 光(來自 Swift 人造衛星,紅色點)的光譜能量分佈。 GROND 數據(藍色點)偏離直線的微小偏差代表塵埃的存在,因此由塵埃引起的偏振也被包含於圖中。虛線分別顯示塵埃消光模型(dust extinction model ,左邊)以及氣體吸收模型(gas absorption model ,右邊)。

圖五:爆發後三小時的 GRB 121024A 餘輝,由可見光/近紅外線(來自 GROND ,藍色點)到 X 光(來自 Swift 人造衛星,紅色點)的光譜能量分佈。 GROND 數據(藍色點)偏離直線的微小偏差代表塵埃的存在,因此由塵埃引起的偏振也被包含於圖中。虛線分別顯示塵埃消光模型(dust extinction model ,左邊)以及氣體吸收模型(gas absorption model ,右邊)。

圖六:伽瑪射線暴噴流的素描(只顯示了兩支噴流之一),噴錐內完全充滿物質(圖左)。圖中間和圖右顯示從右邊看會看到的噴流內部,其中的磁場結構有兩個可能性:或者磁場是有序的(圖中間),或者它是混沌的(圖右)。但在每種情況下,我們僅看到少量來自不同時刻的變化中的細小噴流結構(黃色圓圈),而非噴流的巨觀結構(紫色圓圈)。

圖六:伽瑪射線暴噴流的素描(只顯示了兩支噴流之一),噴錐內完全充滿物質(圖左)。圖中間和圖右顯示從右邊看會看到的噴流內部,其中的磁場結構有兩個可能性:或者磁場是有序的(圖中間),或者它是混沌的(圖右)。但在每種情況下,我們僅看到少量來自不同時刻的變化中的細小噴流結構(黃色圓圈),而非噴流的巨觀結構(紫色圓圈)。

圖七:一個中空的伽瑪射線暴噴流的素描,以及一個包圍在外的螺旋磁場(紅色和綠色線)。

圖七:一個中空的伽瑪射線暴噴流的素描,以及一個包圍在外的螺旋磁場(紅色和綠色線)。

附加資料

什麼是偏振光?

線性偏振光:

除了時下越來越廣泛應用在電視技術之中,在業餘和專業攝影界偏振濾光片的好處早已眾所周知,而且來自例如水或玻璃的、令人困擾的反射也被成功地壓抑 了。線性偏振濾光片具有特殊的光學玻璃或金屬箔,其方向對應於濾光片的晶體結構。其產物就是線性偏振光,即是僅在同一個方向振動的光波。

圓形偏振光:

圓形偏振光可以被想象為沿著非固定方向振動的光波,其振動平面沿波的傳播方向螺旋形地轉動,並且振幅恆等。

在我們星球上發生的例子:

在我們的天然環境中,當光波被非常小的顆粒以特定角度反射或散射時就會產生線性偏振光。例如藍色天空就是線性偏振光的結果。圓形偏振光是不常見的自 然性質。不過它仍可能出現在以適當角度經過多重反射的光。此外,某些有機材料也能發射圓形偏振光。然而,圓形偏振光經常用於3D電影來創造有關於景深的幻 覺:透過特殊的眼鏡能使每隻眼睛看到不同的畫面。

什麼是 GROND ?

GROND 代表「伽瑪射線暴可見光近紅外線探測器 (Gamma-Ray Burst Optical Near-Infrared Detector) 」。這是一個與圖林根國家天文台 (Thüringer Landessternwarte Tautenburg) 合作、在馬克斯.普朗克地外物理研究所 (MPE) 製造的儀器。 GROND 使用光分器把光分開成七個波段,因此這是世上首個能同時拍攝從可見光到近紅外線、約 400 至 2300 納米波長的天文相機。您可以想像 GROND 為一個同時拍攝彩虹七色的相機。

在其技術規範之內(視野、控制軟件、遙距操控), GROND 被特別設計成專門用於追踪伽瑪射線暴變化的儀器。 GROND 一直追踪那些自 2004 年底 NASA 的 Swift 人造衛星在伽瑪射線頻譜就已經探測到的伽瑪射線暴餘輝。 GROND 會以可見光/近紅外線追踪那些Swift人造衛星在軌道上探測到的伽瑪射線暴餘輝。同時觀測七個波段的光變曲線就可以闡明當中物理過程的細節。

自 2007 年夏天以來 GROND 就一直在智利安第斯山脈的馬克斯.普朗克協會 2.2 米望遠鏡運作,至今其仍然高度可靠地運作著。 GROND 每年觀測 大約五十到一百個伽瑪射線暴。 GROND 團隊至今仍在分析許多夜間觀測結果,而且會以電子通告方式公告於天文科學界。無論在星期日或公眾假期 GROND 都未曾停頓,並已成為世界上生產最多數據、最快速的伽瑪射線暴後續觀察儀器。

聯絡人

Jochen Greiner
馬克斯.普朗克地外物理研究所
81379 加興
電話:089-30000-3847
電郵:[email protected]

Karla Varela
馬克斯.普朗克地外物理研究所
81379 加興
電話:089-30000-3359
電郵:[email protected]

Sylvio Klose
圖林根國家天文台
07778 陶滕堡
電話:036427-863-53
電郵:[email protected]

原刊於作者博客

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