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“比光速还快”!科学家捕捉到奇异星体发出的伽马射线

http://www.tzgcjie.com 来源:前瞻网            发布时间:2018-10-08 18:08:42

黑洞

“SS 433是一个不同寻常的恒星系统,每次都会给我们带来新发现。这种看法来源于一项对高能伽马射线的新观测上,而这些观测结果则是基于对这个银河系中最奇怪的天体近40年的测量。每一次测量都给了我们一个不同的谜题,我们希望现有的知识能够让我们了解这整个类星体家族。”——罗切斯特大学物理学家苯维(Segev BenZvi)

夜空看似宁静,但如果通过专门的科学仪器,你会发现视线中原本安宁黑暗之处,充满激烈的碰撞和闪耀的爆炸。遥远而猛烈的爆炸会向四面八方喷射光和粒子,从而证明它们的存在。当这些“信使”到达地球时,科学家们则用专门的仪器捕捉它们,通过它们来绘制活动密集的天空,帮助人类更好地理解发生在太空深处的不稳定过程。

过去,国际科学界的合作首次探测到了一束奇异的高能光。科学家发现,在我们星系中,存在一个不寻常的恒星系统,其中有一个微型类星体——黑洞,正从附近的一颗伴星上吞噬物质,在这个过程中,它会喷出两股强大的物质喷流,其中就包括了飞临地球的高能光。

美国国家射电天文台(NRAO)的超大型阵列多年来一直在观测这种喷流。最为人注目的是,在这些喷流中,一些物质团以比光速还快的表观速度运动,当然这是不可能的。这种现象被称为超光速运动,实际上是一种错觉,当一束物质以接近——但低于——光速向地球运动时,地球上的观测者就会产生这种错觉。

该研究小组的观察结果发表在2018年10月4日的《自然》杂志上。该研究结果表明,微型类星体喷流末端的电子加速和碰撞产生了强大的伽马射线。科学家们认为,研究来自这个小类星体的“信使”,可能会让我们有机会一瞥发生在遥远星系中心的极端事件。

为了收集伽马射线数据,该小组还动用了高海拔水切伦科夫伽马射线天文台(HAWC)。该天文台的建造目标,就是观察来自超新星残骸、类星体和旋转致密恒星脉冲星等天体的伽马射线。HAWC探测器位于墨西哥内格拉火山附近,海拔约13500英尺,由300多个水箱组成,每个水箱直径约24英尺。当粒子撞击水面时,它们会产生一种称为切伦科夫辐射的蓝光冲击波,再由水箱里的特殊摄像机将光线记录下来,从而使科学家们能够确定射入的伽马射线的来源。

根据收集到的数据,研究小组已经确定了这个微类星体的基本特征,他们将其命名为SS 433,距离地球约15000光年。包括SS 433在内,科学家们已经在我们的星系中看到了大约12个微型类星体,其中只有寥寥几个会发射出高能伽马射线。随着SS 433的接近和定向,科学家们获得了一个难得的机会来观察未知的天体物理现象。

“SS 433就在我们附近,因此,利用HAWC独特的广阔视野,我们能够解决两个微类星体粒子加速位点的问题,”美国马里兰大学教授、HAWC合作项目首席研究员兼发言人古德曼(Jordan Goodman)表示,“通过将我们的观测数据与其他望远镜的多波长、多信号数据相结合,我们可以提高对SS 433及其巨大的星系外星系类星体粒子加速度的理解。”

这种类星体是巨大的黑洞,它们并非以恒星为食,而是从星系中心吸收物质。它们不断向外释放辐射,将其射向宇宙的每个角落。但类星体离我们十分遥远,以至于我们探测到的大多数类星体,都是因为它们有射流飞向地球,就像用手电筒直接照在了我们的眼睛上。相比之下,向SS 433这种喷流方向远离地球的就很难发现,这次HAWC发现的伽马射线也只是来源于喷流而非类星体。

无论来自哪里,伽马射线都以直线的方式到达它们的目的地。如果到达地球,伽马射线中的物质会与大气中的分子发生碰撞,产生新的粒子和能量较低的伽马射线。然后,每一个新粒子都会撞击到更多的物质,当信号向地面级联时,就会产生一个粒子簇。

HAWC合作项目人员研究了长达1017天的数据,发现了伽玛射线来自于小类星体喷流的末端,而不是恒星系统的中心部分的证据。根据他们的分析,研究人员得出结论,喷流中的电子获得的能量,比使用地球粒子加速器(比如位于法国和瑞士交界处的城市大小的大型强子对撞机)所获得的能量高出1000倍。射流的电子与穿透空间的低能量微波背景辐射发生碰撞,导致伽马射线放射。这是在这种系统中产生高能伽马射线的一种新机制,与科学家观察到的射流射向地球的情况明显不同。

该项研究的共同作者、联合空间科学研究所(UMD和美国宇航局戈达德太空飞行中心的合作伙伴)前博士后研究员柯方(音译)说,这种新的发现对于理解SS 433的情况至关重要。

“只看到一种来自SS 433的光就像只看到动物的尾巴一样,” 柯方说, “因此,我们将它的所有信号,从低能量无线电波到x射线,与新的高能伽马射线观测结合起来,来找出真正的野兽——SS 433。”

到目前为止,仪器还没有观测到从SS 433发出的高能量伽马射线。但是HAWC一开始就被设计成对光谱的这一极端部分非常敏感,而且它还有相当广阔的视野,可以随时观察整个头顶的天空,很可能在未来取得一些成就。

值得一提的是,伽马射线的发现,近年来一直在为科研人员带来“惊喜”。今年8月,科学家发现,从太空深处发出的伽马射线暴表现出了一些前所未有的奇异行为,和6次极高能量的电磁能爆发相似,而这些爆发显示了复杂的时间可逆性波状行为(时间在这一行为中似乎会倒退重复)证据。

不过,科学家认为这一行为并不能证明时间旅行的可行性。相反,他们现在认为这些反复暴发就像高速释放的带电粒子,在星系碎片中不断反弹,就像回声一样。科学家称,这会产生一种不寻常的信号,然后在数十亿光年的跨度内不断受到干扰(或者称为噪音)并进一步扭曲。了解这一现象可以帮助我们深入了解大质量恒星的死亡,甚至揭开黑洞形成的奥秘。

时间逆转脉冲结构的存在使我们相信,伽马射线暴的物理模型必须包含很强的物理对称性,并与单个碰撞块发生相互作用,”美国查尔斯顿学院的研究人员在论文中写道,“我们已经探索了许多简单的运动学模型,发现一种可能是伽马射线暴中的受撞击物质必须呈双向对称分布,并且受到单个碰撞块的撞击,这种物理现象是造成单个碰撞块过程逆转的原因;另一种可能是单个碰撞块在穿过双边对称分布的物质时产生了发射。”

另外简单说说超光速运动。1994年春天,来自法国萨克莱的米拉贝尔(Felix Mirabel)和来自墨西哥城国立自治大学的罗德里格斯(Luis Rodriguez)观察到一种名为GRS 1915+105的x射线发射物体,该物体刚刚出现无线电爆发的事件。据了解,这个天体距离我们大约4万光年远,就在我们自己的银河系中。他们的VLA观测时间序列显示,1915年和105年从GRS喷射出来的一对物体正在以超光速运动。这是我们第一次在银河系中发现超光速运动。

这一令人惊讶的结果表明,星系中心的超大质量黑洞——比太阳大几百万倍的黑洞——存在一个更小的黑洞,能够产生类似的高能喷流。GRS 1915+105被认为是一个双星系统,其中一个成分是黑洞或中子星,质量只有太阳的几倍。另一颗质量更大的星体不断从它的伴星上吸取物质。在被拉入吸积盘之前,这些物质围绕着巨大的物体旋转。吸积盘的摩擦产生的温度足以使物质发射出x射线,而磁化过程据信会加速射流中的物质。

在米拉贝尔和罗德里格斯从GRS 1915+105中发现了超光速运动后,其他几个星系的“微型类星体”也逐渐被VLA和VLBA发现和研究。1999年,NRAO天文学家海吉明(Robert Hjellming)在一场x射线爆发后24小时内,将VLA转向发生爆炸的位置。通过与麻省理工学院的史密斯(Donald Smith)和雷米勒德(Ronald Remillard)合作,海吉明发现这个天体是一个距离地球1600光年的微型类星体,也是迄今为止发现的离地球最近的黑洞。

我们星系中的微型类星体,因为它们离我们更近,因此更容易研究,他们目前已经成为揭示产生超快物质喷射的物理过程的无价的“实验室”。

伽马射线

在上图中,左上方的图片是从大质量黑洞x射线双星Cyg~X-1中喷射出稳定的毫弧秒级射流;右上方是来自超光速星系射流源GRS~1915+105的瞬态射流;左下是发现的第一个星系源的射电射流,双星轨道几乎是侧立的,SS 433的进动吸积盘使其射流每162天在天空中追踪一个“开塞钻”;右下是在1e ~140.7-2942星系中心黑洞周围的无线电射流化石。

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