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科研解碼:伽瑪射線暴的研究歷史與展望

2015/9/1 — 9:58

Credit: NASA

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伽瑪射線暴簡介

曾經有很久一段時間,高能量天文學與天體物理學誕生之前 (即是觀測伽瑪射線波段的天文學),科學家認為伽瑪射線波段的的天空相對其他波段是平靜的。換句話說,我們曾經以為天空上的伽瑪射線背景輻射是沒有什麼變化的。

在 1973 年,Klebesadel et al. [1] 發表了一份關於神祕的伽瑪射線閃光的分析結果。原來自從 1967 年以來,Vela 人造衛星網絡觀察到平均每天一次的神祕伽瑪射線閃光。美國本打算用 Vela 人造衛星來監察其他國家的祕密核試,但卻意外地發現了這些來自宇宙的神祕伽瑪射線源。科學家發現這些伽瑪射線來自所有不同的方向 [2,3,4],因此不可能產生自地球上的核試。他們叫這些新的伽瑪射線源做伽瑪射線暴 (gamma-ray bursts,圖一、封面)。後來在 1997 年,Metzger et al. [5] 和 Waxman [6] 首次成功測量伽瑪射線暴的宇宙紅移,確定伽瑪射線暴來自非常遙遠和古老的宇宙。

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伽瑪射線暴的輻射原理是?

雖然經過了 45 年的研究,天體物理學家對於伽瑪射線暴的輻射機制仍然理解甚少。我們知道有兩種伽瑪射線暴:長/軟伽瑪射線暴和短/硬伽瑪射線暴。伽瑪射線暴是長是短由它的持續時間決定:比兩秒長的叫做長、比兩秒短的叫做短。Kouveliotou et al. [7] 在1993 年發現長伽瑪射線暴比短伽瑪射線暴有更多的輻射來自比較低能量的波段,在天文學裡就叫做「軟」。

我們相信這兩種伽瑪射線暴有著不同的起源。長伽瑪射線暴應該與超高質量恆星的崩塌死亡有關,而短伽瑪射線暴則與中子星-中子星合併或中子星-黑洞合併有關。[8,9] 兩者都會形成一個黑洞,然後在過程中被拋出去的物質會被黑洞的重力吸回去,在黑洞外形成一個吸積盤。當吸積盤的一些物質跌落黑洞中的時候,由於角動量守恆原理,另一些物質就會以極高速由黑洞兩極往外被噴射出去,形成所謂的雙極噴流 (bipolar jets)。如果其中一支噴流正好面對地球,我們就會觀察到在噴流中發射的伽瑪射線,我們就會叫這個現象做伽瑪射線暴。

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關於這個噴流裡面究竟發生了什麼物理過程,造成我們觀測到的強烈伽瑪射線,天體物理學界一直爭論不休。[8,10] 由人造衛星測量所得的數據顯示,一個伽瑪射線暴所釋放的能量級達到每秒 10^53 erg,即大約每秒 10 億億億億億焦耳,比一整個銀河系一生中所放出的能量更多。在極短的時間裡釋放這樣多的能源意味著發射的物質必定有著極高的能量,同時以接近光速飛行。其中一個自然的解釋 [11,12,13,14,15,16,17] 是,一個非常熱的「火球」釋放的熱輻射 (即黑體輻射)。

不過,我們在觀察到的伽瑪射線光譜裡找不到黑體輻射的證據。相反地,我們看到兩個冪定律 (power law) 結合在一起,形成一個有峰值的形狀,而冪定律是非熱輻射的特徵,例如同步加速輻射 (synchrotron radiation)。所以,長久以來,大部分高能量天體物理學家都認為是在噴流中的局域磁場中加速旋轉的電子發射的同步加速輻射造成伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜。這個提案是非常吸引的,因為我們在所謂的伽瑪射線暴餘輝 (afterglow, 即噴流與包圍著中心黑洞的星際物質和被前身恆星拋出來的物質碰撞而發射的輻射) 的光譜中也觀察到這種冪定律,而且已被非常多的證據證明餘輝是電子同步加速輻射引起的。[18] 天體物理學家已經從餘輝的理論模型與觀察到的光譜的對比之中得到了很多關於噴流的物理參數,也知道了很多關於伽瑪射線暴的宿主星系的資料。

左:圖二、我們證明幾個伽瑪射線暴主爆發的光譜需要加入黑體輻射和精密微調過的物理參數才能解釋。右,圖三、我們證明同步加速所預測的光譜比觀察到的闊。

左:圖二、我們證明幾個伽瑪射線暴主爆發的光譜需要加入黑體輻射和精密微調過的物理參數才能解釋。右,圖三、我們證明同步加速所預測的光譜比觀察到的闊。

不過,要用伽瑪射線暴餘輝的同步加速理論去解釋伽瑪射線暴主爆發 (prompt emission) 的光譜並不容易。首先,伽瑪射線暴主爆發釋放出的極高能量意味著在噴流中發生的能量轉換過程必須有著極高的效率。噴流的動能要以高效率加速電子,然後電子要用高效率把它們的動能轉換成極高能量的伽瑪射線,而這些高效率的能量轉換過程需要極端的物理參數數值。[8,10] 第二,以極高速度運動的高相對論性 (highly relativistic) 噴流物質很自然地會是不透光的 (即輻射不能逃逸),這應該會導致 (局部) 熱平衡,從而放出黑體輻射。相反地,主流的同步加速輻射則需要透光的環境。第三,很多年前,天體物理學家已經發現 [19,20,21,22] 在大約 30% 的伽瑪射線暴主爆發的光譜之中,其低能量一端的冪定律斜率數值與同步加速理論預測的數值不符。在我近期發表的論文 [23] 中,我們發現低能量一端的冪定律斜率在某些特定的物理條件、或者在加入一個黑體輻射的條件下,可以以同步加速去解釋少數幾個伽瑪射線暴主爆發光譜 (圖二)。不過,這需要精密微調一些互不相關的物理參數,很難想像在哪些情況下會發生。

我在最近發表的一篇論文 [24] 中證明了超過 91% 的伽瑪射線暴光譜都不可能用同步加速去解釋。我們在研究中直接測量了光譜的孤度,並與理論預測的數值比較。我們發現同步加速所預測的光譜比觀察到的闊 (圖三)。所以,我們證明了只以同步加速去解釋伽瑪射線暴光譜,在數學上是不可能的。另一方面,我們也發現黑體輻射所預測的光譜比觀察到的窄,意味著有可能由多個不同溫度的黑體輻射重疊的所謂「灰體輻射」去解釋伽瑪射線暴主爆發光譜。

下一步該做什麼?

傳統的伽瑪射線暴光譜分析使用根據經驗建構出來的數學模型 (empirical models) 去分析觀測到的光譜。越來越多研究顯示這種方法有可能會導致錯誤的結論。而且,我的論文 [24,25] 證明了使用非常保守的篩選方式得到的經驗建構模型顯示九成以上的光譜都不可能是同步加速造成的。所以,以後的主流研究方向很可能會轉為以物理建構出來的數學模型 (physical models) 直接分析光譜。這種方法比經驗建構模型分析困難得多,因為其分析工具的編寫比較複雜。某些物理過程的理論模型研究也未達到成熟能應用的程度,也是難題之一。不過,越來越多證據顯示,以物理模型直接研究伽瑪射線暴光譜將會是能夠得知其物理過程的唯一方法。

如果我們能夠比較深入地理解伽瑪射線暴的輻射機制,就有望得知非常多關於其噴流、中心黑洞以及四周物質的物理過程。由於伽瑪射線暴比其他所有已知的天體都更遙遠古老,伽瑪射線暴的研究突破將會幫助人類理解早期宇宙如何演化、如何發展成我們今天看見的這個美麗的穹蒼。

參考文獻:

[1] Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85

[2] Briggs, M. S., Paciesas, W.S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40

[3] Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., 1994, ApJ, 422, 659

[4] Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214

[5] Metzger, M., R., Djorgovski, S. G.m Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878

[6] Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33

[7] Kouveliotou, C., Meegan, C. A., Fishman, G. J., et al. 1993, ApJ, 413, L101

[8] Piran, T. 2004, Rev. Mod. Phys., 76, 1143

[9] Zhang, B. 2012, Death of Massive Stars: Supernovae and Gamma-Ray Bursts, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium, 279, 102

[10] Zhang, B. 2014, International Journal of Modern Physics D, 23, 1430002

[11] Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47

[12] Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181

[13] Meszaros, O. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59

[14] Rees, M. J. & Meszaros, O. 1992, MNRAS, 258, 41P

[15] Rees, M. J. & Meszaros, O. 1994, ApJ, 430, L93

[16] Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768

[17] Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575

[18] van Eerten, H. J. 2015, arXiv:1503.05308, to be appear in the Journal of High Energy Astrophysics special issue “Swift: 10 years of discovery”

[19] Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107

[20] Crider, A., Liang, E. P., Preece, R. D., et al. 1998, in Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 30, American Astronomical Society Meeting Abstracts, 1380

[21] Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23

[22] Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248

[23] Yu, H.-F., Greiner, J., van Eertan, H., et al. 2015, A&A, 573, A81

[24] Yu, H.-F., van Eertan, H. J., Greiner, J., et al. 2015, arXiv:1507.05589, submitted to A&A

[25] Yu, H.-F., et al. 2015, in preparation, submitting to A&A soon

延伸閱讀:

伽瑪射線暴121024A:令科學家困惑的圓形偏振》 — Prof. Jochen Greiner

科研解碼:淺談伽瑪射線暴》 — 余海峯

原刊於作者博客

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