ALMA对伽马暴宿主星系的观测研究

宇宙中最剧烈的“爆炸”当属伽玛暴(Gamma-Ray Burst,天文学中常将其简称为GRB)。我们知道光本质上就是电磁波,而实际上它具有一个很宽的波长范围,不同的波长对应不同类型的辐射。不同类型的辐射对应的能量也大不相同(如图1)。波长越短的电磁波携带的能量越多。在实际的研究当中,天文学家也主要依靠天体在各种波段发出的电磁波来研究这些遥远且触不可及的天体。图1中最右端,波长最短的电磁波即为伽玛射线,它主要产生于原子核内的物理作用,即原子核衰变和核反应。不难想象,如果有氢弹(或原子弹)爆炸,那么将会有大量的伽玛射线在短时间被释放出,即伽玛射线爆发。因此伽玛射线可以用于检测地球上的核试验。这也是伽玛射线探测的早期应用之一。

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    人们第一次探测到来自宇宙深处的伽玛暴完全属于机缘巧合。在1967年,当时处于冷战时期的美国为了侦测苏联和中国的核试验,发射了一系列人造卫星,将其命名为Vela(船帆座)。某天,Vela卫星突然接收到了短暂的,持续了几秒的伽玛射线突然增强的现象,在短短的几秒内卫星接收到的伽玛光子数突然有了3个数量级的提升。

Screen Shot 2014-09-05 at 14.56.59但因为设备的限制,美军无法确认伽玛射线来自哪个方向,因此不能排除这些伽玛光子来自于地球的可能。后来他们经过谨慎的分析,排除了伽玛射线爆发来自地球的可能性,这是人们第一次观测到来自宇宙的伽玛射线爆发(如图2)。从此以后人们开始了对伽玛暴的详细研究,同时,人们对伽玛暴的起源众说纷纭,有人认为伽玛暴来自于彗星的相互碰撞、有人说其来自银河系内的中子星,还有人认为它和河外的超新星爆发有关。所有的这一切在1997年取得了突破性的进展,人们首次在伽玛暴之后的同一位置处探测到了X射线的辐射,称之为伽玛暴X射线余辉,之后又在光学甚至是射电波段探测到了类似的余辉现象。这些余辉的能量逐级递减,总体呈现出一个对数衰减的趋势。借助这些在伽玛射线以外的波段上发射出的余辉,人们对伽玛暴的物理模型有了更加精准的物理模型限制,同时也确认了伽玛暴的银河系外星系(河外星系)的起源。

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    此外,1991年发射的康普顿伽玛射线望远镜(Compton Gamma Ray Observatory,CGRO)上搭载了一个灵敏度非常高的仪器——BATSE(Burst and Transient Source Explorer,瞬时爆发源探测器)。科学家通过BATSE对伽玛暴来源的统计发现,伽玛暴在全天均匀分布(如图3),这个观测结果与银河系的盘状结构并不符合,这也印证了伽玛暴的银河系外起源,也与之后1997年天文学家建立的伽玛暴余辉的物理模型限制相符合。

    天文学家通过观测发现,根据爆发的持续时间,伽玛暴大致可以分为两类。如图4所示,伽玛暴的持续时间分布呈现出2个峰值。处于红线左边的一类伽玛暴的持续时间短于2秒,我们将其称为短暴;而红线右边那部分所对应的伽玛暴持续时间长于2秒,称为长暴,占所有伽玛暴总数的70%左右。不过尽管天文学家将其称之为长暴,其持续时间也不过千秒的量级,最长也长不过一个小时,相比于其他的天文现象,可以说是“瞬息万变”。通过对这两种伽玛暴的研究,天文学家发现,短暴主要发生在椭圆星系当中(我们称其所在星系为“宿主星系”),它很可能来自于中子星的相互并和或者中子星和黑洞的并和。Screen Shot 2014-09-05 at 14.59.44而长伽玛暴主要存在于恒星形成活动比较剧烈的盘状星系当中,常常伴随着大量超星新爆发的活动。天文学家们普遍认为伽玛暴是一类大质量恒星死亡时爆发产生的现象,所以长暴所处的星系应该是年轻的,正在进行着大量恒星形成活动的星系。因为恒星形成于分子云中,分子云包含了大量气体和尘埃,因此如果我们观测伽玛暴的宿主星系,应该能够看到大量的气体和尘埃。

    前文提到过,在伽玛暴发生之后,会有在其他波段相继发生辐射的余辉现象。然而在实际观测中,天文学家发现有一些神秘的长伽玛暴并没有光学波段的余辉。大家猜测一种可能的原因是伽玛暴所处的环境含有大量尘埃,光子被尘埃吸收和散射,从而使观测者无法观测到光学波段的余辉现象。当然,天文学家也提出了一些其它的模型,例如一些天文学家认为由于伽玛暴处于宇宙高红移处,因此实际上我们观测到的光学余辉对应了其静止波段的紫外线辐射,这也可以解释光学波段余辉的神秘消失。

    今年6月的《自然》(Nature)杂志上刊载了日本国立天文台的廿日出文洋(Hatsukade)研究员领导的研究小组关于伽玛暴的新发现。他们运用了目前世界上最强大的射电望远镜干涉阵列——阿塔卡玛(亚)毫米波射电望远镜干涉阵(Atacama Large Milimeter/submillimter Array,简称为ALMA)第一次观测到了长伽玛暴所在的宿主星系的尘埃和气体(因为气体和尘埃的辐射波段主要在毫米波和亚毫米波的辐射波段),而且得到了高分辨率的气体和尘埃辐射的图像。

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    其实廿日出文洋研究员带领的研究小组从2003年开始起就一直试图探测到伽玛暴宿主星系里的气体和尘埃,但他们得到的观测结果一直不理想。因为观测设备灵敏度的限制,使他们探测伽玛暴宿主星系内气体和尘埃的愿望屡屡落空。然而,借助于处于火力尚未全开的ALMA(在ALMA射电干涉阵运行初期,望远镜阵列中的66面天线只有一部分被使用),在只有24到27面天线参与观测的情况下,他们依旧只用了不到1小时的观测时间就探测到了伽玛暴宿主星系里气体和尘埃。可以想象,当ALMA的66面天线全部运行起来时,它将是如何的强大!为了详细了解和分析长暴的性质,特别是暗长暴,也就是前面提到的,其光学波段余辉不可见的那一类长暴的性质,作者选取了两个暗伽玛长暴(GRB 020819B和GRB 051022,前两位数字02和05代表年,中间两位代表月,后两位代表日,后面的字母代表序号)的宿主星系作为观测对象,利用ALMA对这两个星系进行观测。

    图5显示了《自然》杂志刊出的论文里所发表的ALMA观测结果。这两个伽玛暴中GRB 020819B 的宿主星系引起了科学家们极大的兴趣。可以看到图中用红色十字叉丝标出的位置就是伽玛暴发生的位置,而在这个位置处,作者几乎没有看到任何的分子气体的辐射。根据左边那副蓝色的图片,气体都集中在靠近星系中心的区域,而在伽玛暴位置处是一片空白。中间那幅图显示了宿主星系中尘埃的辐射,可以清楚的看到在伽玛暴发生的区域有很强的尘埃辐射,说明那里存在着大量的尘埃。作者通过计算发现,伽玛暴所处的区域的气体和尘埃质量的比例跟星系中心的比例有着非常大的差异(10-100倍),同时也与其他普通的正在进行着恒星形成活动的星系大不一样。这说明了伽玛暴所处的环境是十分特殊的,那里蕴含着大量的尘埃,然而却包含了极少的分子气体。这样一个极端的气体尘埃质量比例是之前天文学家们从来没有想到的。这是一项令人无比惊讶的发现。

    此文章的作者们在排除了其它一些可能之后猜测,因为伽玛暴所处的环境有剧烈的恒星形成活动,从而有很高强度的紫外线辐射。而分子气体在这样高强度的紫外线辐射下很容易瓦解掉,从而使气体比尘埃的比例远远低于该宿主星系的中心,也低于其他普通的星系。通过ALMA的观测,我们第一次发现了暗伽玛暴所处的环境是如此的与众不同(如图5下面的那副艺术家想象图,红色表示星际尘埃),那里有大量的尘埃,从而可以遮蔽伽玛暴在光学波段的余辉,这也就揭示了为什么暗伽玛暴在光学波段的余辉会神秘消失的原因。

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    值得一提的是,这项研究充分的展示了ALMA的威力。凭借极高的灵敏度和分辨率ALMA将在伽玛暴宿主星系的观测方面继续发挥不可替代的作用,同时也将进一步帮助我们解开伽玛暴起源的谜团。

(原文刊载于《天文爱好者》8月刊,稍有改动)

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