伽瑪射線爆

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更新時間: 2013-09-04

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伽瑪射線爆(GRB),是種短暫的高能爆發現象,平均每天會有一到兩次的爆發產生,爆發持續的時間約在0.01秒至1000秒之間。

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1 伽瑪射線爆 -伽瑪射線暴基本介紹

  伽瑪射線暴Gamma Ray Burst, 縮寫 GRB),又稱伽瑪暴,平均每天會有一到兩次的爆發產生,是來自天空中某一方向的 伽瑪射線強度在短時間內突然增強,隨後又迅速減弱的現象,持續時間在0.1-1000秒,輻射主要集中在0.1-100 MeV的能段。
  理論學者認為伽瑪射線爆的是由體積很小且擁有巨大能量的火球(fireball)所造成,其能量以噴流方向朝火球的兩極噴出,當我們的視線方向與噴流平行時,則看到了伽瑪射線爆。而火球的真正來源到現在還不是很清楚。伽瑪射線爆是宇宙中最強力的爆炸之一,是新的黑洞形成的信號,其表現形式有長短兩種。近些年,國際研究表明長伽瑪射線爆與超新星死亡的爆炸有關。
  伽瑪暴發現於1967年,數十年來,人們對其本質了解得還不很清楚,但基本可以確定是發生在宇宙學尺度上的恆星級天體中的爆發過程。伽瑪暴是目前 天文學中最活躍的研究領域之一,曾在1997年和1999年兩度被美國《 科學》雜誌評為年度十大科技進展之列。

2 伽瑪射線爆 -伽瑪射線暴的研究歷史

  
伽瑪射線爆中子星-內部結構模型圖
20世紀60年代,美國發射了船帆座衛星,上面安裝有監測伽瑪射線的儀器,用於監視蘇聯和中國進行核試驗時產生的大量伽瑪射線。1967年,這顆衛星發現了來自宇宙空間的伽瑪射線突然增強,隨即又快速減弱的現象,這種現象是隨機發生的,大約每天發生一到兩次,強度可以超過全天伽瑪射線的總和,並且來源不是在地球上,而是宇宙空間。由於保密的原因,關於伽瑪射線暴的首批觀測資料直到1973年才發表,並很快得到了蘇聯Konus衛星的證實。
  由於伽瑪暴的持續時間非常短暫,而且方向不好確定,起初對伽瑪暴的研究進展十分緩慢,連距離這樣的基本物理量都難以測定。1980年代,基於Ginga衛星的觀測結果,許多人相信伽瑪射線暴是發生 銀河系中的一種現象,成因與 中子星有關,並圍繞中子星建立起數百個模型。20世紀80年代中期,美籍波蘭裔天文學家玻丹·帕琴斯基提出,伽瑪射線暴發生在銀河系外,是位於宇宙學距離上的遙遠天體,然而這種觀點並沒有得到普遍認可。
  
伽瑪射線爆

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  康普頓伽瑪射線天文台記錄到的2千多個伽瑪射線暴分布圖
  1991年美國發射了 康普頓伽瑪射線天文台(CGRO),這顆衛星的八個角上安裝了八台同樣的儀器BASTE,能夠定出伽瑪射線暴的方向,精度大約為幾度。幾年時間裡,對3000餘個伽瑪暴的系統巡天發現,伽瑪射線暴在天空中的分佈是各向同性的,支持了伽瑪射線暴是發生在遙遠的 宇宙學尺度上的觀點,並且引發了帕欽斯基與另一位持相反觀點的科學家 拉姆的大辯論。
  如果伽瑪射線暴確實位於宇宙學尺度上,那麼由它的亮度可以推斷,伽瑪暴必定具有非常巨大的能量,往往在幾秒時間裡釋放出的能量就相當於幾百個 太陽一生中所釋放出的能量總和,是人們已知的宇宙中最猛烈的爆發。例如1997年12月14日發生的一次伽瑪暴,距地球120億 光年,在爆發后一兩秒內,其亮度就與除它以外的整個宇宙一樣明亮,它在50秒內釋放出的能量相當於銀河系200年的總輻射能量,比 超新星爆發還要大幾百倍。在它附近的幾百千米範圍內,再現了 宇宙大爆炸后千分之一秒時的高溫高密情形。而1999年1月23日發生的一次伽瑪暴比這還要猛烈十倍。
  1996年,義大利和荷蘭合作發射了 BeppoSAX衛星,這顆衛星能夠準確地測定伽瑪射線暴的方位,定位精度約為50角秒,這就為地面上的 望遠鏡在伽瑪暴未消逝之前尋找其光學對應體提供了強有力的支持。在它的幫助下,天文學家們率先發現了1997年2月28日爆發的一個伽瑪暴的光學對應體,稱為伽瑪暴的「光學餘輝」。後來又陸陸續續地發現了數個類似的餘輝,不僅有 可見光波段的,也有 射電波段, X射線波段,並且還證認出了伽瑪暴的宿主星系。對宿主星系 紅移的觀測證實,伽瑪暴遠在銀河系以外,是宇宙學距離上的天體。餘輝的發現使人們能夠在伽瑪暴發生后數月甚至數年的時間裡對其進行持續觀測,大大推動了伽瑪暴的研究。

3 伽瑪射線爆 -伽瑪射線暴的觀測特徵

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  伽瑪射線暴的持續時間一般在0.1秒到1000秒左右,以2秒為界,大致可以分為長暴(long burst)和短暴(short burst)兩類,典型的持續時間分別為30秒和0.3秒。時變的輪廓比較複雜,往往具有多峰的結構。伽瑪射線暴在天空中的分佈是各向同性的,但遠距離的伽瑪射線暴明顯少於近距離的,顯示出非均勻各向同性,可以被膨脹宇宙學模型所支持,表明伽瑪射線暴是發生在宇宙學距離上的。
  伽瑪射線暴爆發過後會在其它波段觀測到輻射,稱為伽瑪射線暴的餘輝。根據波段不同可分為X射線餘輝、光學餘輝、射電餘輝等。餘輝通常是隨時間而指數式衰減的,X射線餘輝能夠持續幾個星期,光學餘輝和射電餘輝能夠持續幾個月到一年。

4 伽瑪射線爆 -伽瑪射線暴的成因

  關於伽瑪射線暴的成因,有人猜測它是兩個緻密天體如中子星或 黑洞的合併產生的,也有觀點認為它是在大質量 恆星演化為黑洞的過程中產生的。
   1998年發現伽瑪暴GRB 980425與一個超新星SN Ib/Ic 1998bw 相關聯。這是一個重要的發現,暗示伽瑪暴的成因可能是大質量恆星的死亡。 2002年,一個英國的研究小組研究了由 XMM-牛頓衛星對2001年12月的一次伽瑪暴的長達270秒的X射線餘輝的觀測資料,發現了伽瑪暴與超新星有關的證據,發表在2002年的《 自然》雜誌上。進一步的研究揭示,普通的超新星爆發有可能在幾周到幾個月之內導致伽瑪射線暴。目前大質量恆星的死亡會產生伽瑪暴這一觀點已經得到普遍認同。

5 伽瑪射線爆 -伽瑪射線暴研究展望

   2004年11月20日,美國宇航局發射了用於探測伽瑪暴的 雨燕衛星,它最大的特點是反應迅速,能夠對轉瞬即逝的伽瑪暴進行最快速的響應。

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