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研究历史

时间:2020-05-08 08:51来源:游戏开发
科学家观测到130亿光年外迄今最遥远天体 伽马射线暴是1967年美国Vela卫星在核爆炸监测过程中由克莱贝萨德尔(Klebesadel)等人无意中发现的。 20世纪60年代,美国发射了船帆座卫星,上面

科学家观测到130亿光年外迄今最遥远天体

伽马射线暴是1967年美国Vela卫星在核爆炸监测过程中由克莱贝萨德尔(Klebesadel)等人无意中发现的。

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20世纪60年代,美国发射了船帆座卫星,上面安装有监测伽玛射线的仪器,用于监视苏联和中国进行核试验时产生的大量伽玛射线。

据美国太空网报道,今年早些时候,一颗130亿年前爆炸的恒星发出的光被探测到,成为在宇宙空间观测到的最遥远的天体。该天体大约形成于宇宙大爆炸后的6.3亿年,是迄今人类观测到的距离地球最遥远的天体。

1967年这颗卫星发现了来自宇宙空间的伽玛射线突然增强,随即又快速减弱的现象,

此次观测到的最遥远天体其实是一种伽玛射线暴。美国宇航局“雨燕”观测卫星最早于2009年4月23日观测到这一伽玛暴,该伽玛暴也因此被命名为“GRB 090423”。通常认为,当超大质量恒星崩塌形成恒星大小的黑洞时,就会发出超能伽玛射线暴。据了解,伽马射线暴是宇宙中一种伽马射线突然增强的现象。伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波,是比X射线能量还高的一种辐射,它的能量非常高,能够消灭临近星体上的任何生命。在离地球6000光年范围内的任何伽马射线暴都能够摧毁臭氧层,从而破坏地球。

数小时之后,全世界的望远镜都对准了这一伽玛射线暴,这也是宇宙空间中最猛烈的爆炸。天文学家对该伽玛暴的红外线余辉进行研究,来确定其来源和地点。两个研究团队,一个借助设在智利的欧洲南方天文台的8.2米望远镜,另一个借助设在西班牙的意大利国家伽利略望远镜,精确观测出这一伽玛射线暴的距离,距地球超过130亿光年。此前距地球最远天体的记录为GRB 080913所保持,为128亿光年。

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130亿光年的距离,意味着地球上看到的恒星爆炸,实际发生在130亿年前。根据宇宙诞生的“大爆炸”理论,宇宙诞生于约137亿年前。也就是说,这颗恒星可能伴随宇宙诞生后6.3亿年就“死亡”,变成了一个黑洞,并爆发出猛烈的伽玛射线暴。

这种现象是随机发生的,大约每天发生一到两次,强度可以超过全天伽马射线的总和,并且来源不是在地球上,而是宇宙空间。由于保密的原因,关于伽玛射线暴的首批观测资料直到1973年才发表[4],并很快得到了苏联Konus卫星的证实。

天文学家依据红移原理来计算恒星爆炸和地球间的距离。爆炸发出的波在宇宙中运动时能量会衰减,其频谱向红光方向,也就是频率更低、波长更长的低能量波方向移动,红移越大,光源的距离就越远。此前天文学家观测到的最远的宇宙伽马射线源红移值约为4.5。迄今为止,已知宇宙中最远的一个类星体的红移值约为6.4。地面天文学家在得到“雨燕”发出的数据后,再通过欧洲南方天文台观测恒星爆炸的红外线余辉。他们计算出这次爆炸的红移值是6.29,爆炸发生在距地球130亿光年处。

伽马射线暴

近些年,天文学家对更为遥远的伽玛射线暴、星系和类星体进行探测,更为接近于宇宙诞生首批恒星和星系的最初期。英国莱斯特大学的尼亚尔-坦维尔说,因此能探测到宇宙最初期的恒星爆炸只是个时间问题。尼亚尔-坦维尔在欧洲南方天文台研究团队工作。

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尼亚尔-坦维尔说,“我们在几年内都在对类似的伽玛射线暴进行探寻,我们期待某一天运气来临。但是最终发现如此遥远的天体,还是令我们兴奋异常。”天文学家希望,观测到这一伽玛射线暴以及其他遥远的伽马射线暴有助于了解所谓的“宇宙大黑暗时代”。在“宇宙大黑暗时代”最初的恒星和星系还未形成。

冷战时期,美国发射了一系列的军事卫星来监测全球的核爆炸试验,在这些卫星上安装有伽玛射线探测器,用于监视核爆炸所产生的大量的高能射线。侦察卫星在1967年发现了来自浩瀚宇宙空间的伽马射线在短时间内突然增强的现象,人们称之为“伽马射线暴”。由于军事保密等因素,这个发现直到1973年才公布出来。这是一种让天文学家感到困惑的现象:一些伽马射线源会突然出现几秒钟,然后消失。这种爆发释放能量的功率非常高。一次伽马射线暴的“亮度”相当于全天所有伽马射线源“亮度”的总和。随后,不断有高能天文卫星对伽马射线暴进行监视,差不多每天都能观测到一两次的伽马射线暴。

国家射电天文台的戴尔-弗雷尔说,“这一爆炸为我们观测了解正在经历剧烈变化的宇宙幼年期提供了很好的机会。最初形成的恒星和星系发出的光穿破了宇宙早期的黑暗。发出这一伽玛射线暴的爆炸恒星属于宇宙最早期的恒星。”

由于伽玛暴的持续时间非常短暂,而且方向不好确定,起初对伽玛暴的研究进展十分缓慢,连距离这样的基本物理量都难以测定,1980年,基于Ginga卫星的观测结果,许多人相信伽玛射线暴是发生银河系中的一种现象,成因与中子星有关,并围绕、中子星建立起数百个模型。20世纪80年代中期,美籍波兰裔天文学家玻丹·帕琴斯基提出,伽玛射线暴发生在银河系外,是位于宇宙学距离上的遥远天体,然而这种观点并没有得到普遍认可。

大爆炸之后,宇宙在不断膨胀的同时也迅速冷却。40多万年后,自由的电子和质子(分别是负电荷和正电荷)结合形成了中性原子核,使整个宇宙被一种“背景辐射”所覆盖,而今天我们能够通过其电磁波频谱中的微波部分(所谓“宇宙微波背景”)探测到背景辐射的存在。

1991年美国发射了康普顿加码射线天文台(CGRO),这颗卫星的八个角上安装了八台同样的仪器BASTE,能够定出伽玛射线暴的方向,精度大约为几度,几年时间里,对3000余个伽玛暴的系统巡天发现,伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的,支持了伽玛射线暴是发生在遥远的宇宙学尺度上的观点,并且引发了帕钦斯基与另一位持相反观点的科学家拉姆的大辩论。

宇宙一直保持电中性状态,直到出现最初的星体和星系。星体中的量子将电子从原子核中击出,进而“再电离”整个宇宙。但是探测到当时最遥远的星系和类星体是非常困难的,因此天文学家希望类似于GRB 090423的遥远伽码射线爆炸能够提供“再电离”时代的信息。当然,如果想对宇宙大黑暗时代进行精确解读的话,可能还需要发现和研究更多的伽码射线爆炸。

如果伽玛射线暴确实位于宇宙学尺度上,那么由它的亮度可以推断,伽玛暴必定具有非常巨大的能量,往往在几秒时间里释放出的能量就相当于几百个太阳一生中所释放出的能量总和,是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发,例如1997年12月14日发生的一次伽玛暴,距地球120亿光年,在爆发后一两秒内,其亮度就与除它以外的整个宇宙一样明亮,它在50秒内释放出的能量相当于银河系200年的总辐射能量,比超新星爆发还要大几百倍。在它附近的几百千米范围内,再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。而1999年1月23日发生的一次伽玛暴比这还要猛烈十倍。1996年,意大利和荷兰合作发射了BeppoSAX卫星,这颗卫星能够准确地测定伽马射线爆的方位,定位精度约为50角秒,这就为地面上的望远镜在伽玛暴未消逝之前寻找其光学对应体提供了强有力的支持。在它的帮助下,天文学家们率先发现了1997年2月28日爆发的一个伽玛暴的光学对应体,称为伽玛暴的“光学余辉”,后来又陆陆续续地发现了数个类似的余辉,不仅有可见光波段的,也有射电波段,X射线波段,并且还证认出了伽玛暴的宿主星系,对宿主星系红移的观测证实,伽玛暴远在银河系以外,是宇宙学距离上的天体,余辉的发现使人们能够在伽玛暴发生后数月甚至数年的时间里对其进行持续观测,大大推动了伽玛暴的研究。

目前,我们对如此远古时代还知之甚少。所以,即使是单独的探测发现也会为我们描绘早期宇宙模型提供限定条件和有益信息。意大利国家天体物理学院科学家、伽利略国家天文台研究小组成员鲁本-萨尔瓦特拉对美国太空网说:“但是坦白说,假如我们想了解那个特定宇宙历史时期的情况,决定性的步骤需要收集更多类似的大规模遥远伽码射线爆炸的样本。”

至2015年人们已经观测到了2000多个伽马暴。

当被问及此项最遥远记录会保持多久时,坦维尔回答说:“根据以往经验,可能会需要几年的时间来打破该记录。但是即便明天就打破,我也丝毫不会感到吃惊。”他还表示希望下一个创纪录者会是另一个伽码射线爆炸。两个小组的研究成果都将详细发表于10月29日的《自然》杂志。

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《自然》发表论文摘要


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                                                                                                                       产生原因

  恒星的诞生和老恒星的死亡是联系在一起的。超大质量恒星迅速老化、爆炸,散发出的星际尘埃快速充斥于星云之中,超大质量爆炸产生的新物质也被喷发进星云之中,星云密度变得很大,孕育新的恒星诞生。在充斥着星际尘埃的星系,大量的恒星生死轮回正在发生着。由于恒星形成于星际尘埃区域,可推测包裹黑暗伽马射线暴的尘埃团可能是孕育恒星的诞生之地。

关于伽玛射线暴的成因,有人猜测它是两个致密天体如中子星或黑洞的合并产生的,也有观点认为它是在大质量恒星演化为黑洞的过程中产生的。

1998年发现伽玛暴GRB 980425与一个超新星SN Ib/Ic 1998bw相关联。这是一个重要的发现,暗示伽玛暴的成因可能是大质量恒星的死亡。2002年,一个英国的研究小组研究了由XMM-牛顿卫星对2001年12月的一次伽玛暴的长达270秒的X射线余辉的观测资料,发现了伽玛暴与超新星有关的证据,发表在2002年的《自然》杂志上。进一步的研究揭示,普通的超新星爆发有可能在几周到几个月之内导致伽玛射线暴。大质量恒星的死亡会产生伽玛暴这一观点已经得到普遍认同。


                                                                                                                        现象分类

  伽玛暴有两类,短暴(小于2秒)与长暴(大于2秒)。

长暴被普遍认为是“超新星的类似物”,标志着50至100倍于太阳的恒星的毁灭性爆发。当这样一颗庞大的恒星爆炸时,它会留下一个黑洞,并将这一信息以伽玛射线的形式扫过宇宙。内在的物理机制首先由加州大学的物理学家Stan Woosley博士提出并发展成形,而他的“坍缩星”模型被认为是解释长暴的主流理论。

短暴更为让人迷惑。它们的起落时间非常短,不会是超新星,而爆发的能量并不足以构成恒星的爆发。许多研究者认为,它们是由超致密的中子星(可能也是中子星与黑洞)碰撞产生的。两种情况都会产生另一个黑洞。

伽马射线暴的能源机制至今依然远未解决,这也是伽马射线暴研究的核心问题。随着技术的进步,人类对宇宙的认识也将更加深入,很多现在看来还是个谜的问题也许未来就会被解决,探索宇宙的奥秘不但是人类追求科学进步的必要,这些谜团的解开也终将会使人类自身受益。


                                                                                                                          主要特征

  加码射线暴的持续时间一般在0.1秒到1000秒左右,以2秒为界,大致可以分为长暴和短暴两类,典型的持续时间分别为30秒和0.3秒。时变的轮廓比较复杂,往往具有多峰的结构。伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的,但远距离的伽玛射线暴明显少于近距离的,显示出非均匀各向同性,可以被膨胀宇宙学模型所支持,表明伽玛射线暴是发生在宇宙学距离上的。

伽玛射线暴爆发过后会在其它波段观测到辐射,称为伽玛射线暴的余辉。根据波段不同可分为X射线余辉、光学余辉、射电余辉等。余辉通常是随时间而指数式衰减的,X射线余辉能够持续几个星期,光学余辉和射电余辉能够持续几个月到一年。


                                                                                                                             爆发历史

一、星际尘埃吸收伽马射线暴可见光,2009年6月8日,在美国天文学学会会议上美国加州大学伯克利分校丹尼尔-珀利(Daniel Perley)说:“我们相信已经揭开了黑暗伽马射线暴的成因之谜。”他和同事们通过加州帕洛马天文台直径60英寸的望远镜发现“雨燕”探测卫星曾观测的29个伽马射线暴中14个是黑暗的,无法观测到可见光波。他们进一步通过夏威夷凯克天文台的10米望远镜进行观测,结果显示它们并不是完全处于黑暗状态。这14个黑暗伽马射线暴中有3个透出微弱光线,像昏暗的余晖,其余的11个伽马射线暴虽然处于黑暗状态,但是研究小组发现了导致伽马射线暴产生的强烈爆炸所在的星系。这说明这些伽马射线暴产生的星系距离地球不会超过129亿光年,因为这已经接近了人类宇宙观测的极限。而且如果距离超过129亿光年,任何可探测的光波都会发生多普勒红移。*

几次特别的伽马射线暴

编辑:游戏开发 本文来源:研究历史

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