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。 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。 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)…… Continue reading 科研解碼：伽瑪射線暴的研究歷史與展望
Tag: Gamma-Ray Burst
伽瑪射線暴121024A：令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)
作者：Prof. Jochen Greiner, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany 譯者：Hoi-Fung David Yu (余海峯), Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany 德文原文來自：http://www.mpe.mpg.de/~jcg/GROND/grb121024A_PR.html 以下皆為譯文，所有內容已經作者批准使用。(封面圖片來源：National Science Foundation) 文章內容來源： Circular polarization in the optical afterglow of GRB 121024A, Klaas Wiersema et al. 2014, Nature, 509, 7499 (「自然」雜誌第509卷7499號，2014年5月8日發行) http://dx.doi.org/10.1038/nature13237 (電子版於2014年4月30日出版) 摘要 根據目前的標準模型，伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet)。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow)。測量餘輝的偏振 (polarization)…… Continue reading 伽瑪射線暴121024A：令科學家困惑的圓形偏振 (GRB 121024A – zirkulare Polarisation verblüfft Forscher)
科研解碼：淺談伽瑪射線暴
一直有朋友問我可否寫我自己的研究題目。趁著剛寫好一篇論文，現在往布拉格開會的巴士上，就嘗試簡單的寫一寫。 我做的研究題目是伽瑪射線暴 (gamma-ray burst)。什麼是伽瑪射線暴？簡單地說，就是一種會突然放出伽瑪射線的天體，因為其爆發時間很短，一般從零點幾秒到幾百秒不等 (也有一些長達幾十分鐘的)，所以叫做伽瑪射線「暴」。 宇宙中存在非常多種會在各種波段「發光」的天體。有些會放出射電電波 (即收音機頻率的非常低能量的電波)，也有主要在紅外、可見光、X 光波段等較高能量發光的天體。例如我們的太陽，就是一種主要在可見光波段發光的天體，所以地球上的生物才會對可見光最敏感。我的專長是高能量天體物理學之中，再比較高能量的伽瑪射線天體物理學，專門研究能量比 X 光更高的伽瑪射線源。 天文學家在 1967 年首次探測到伽瑪射線暴 [1]。當時正值美蘇軍備競賽，美國發射了很多探測伽瑪射線的人造衛星，看看蘇聯有沒有進行核試。結果，其中一個人造衛星探測到不明的伽瑪射線爆發現象，令美國政府以為是蘇聯的核試。可是經過再三定位後，卻發現這些伽瑪射線來源方向不是蘇聯、也不是從地球上任何一個地方而來，而是從外太空而來！ 其實，地球無時無刻都正受到各種極高能量的宇宙射線「攻擊」，其中有 X 光、伽瑪射線、各種高能量粒子等等。不過，由於地球有大氣層和磁場保護，這些幅射是不能到達地面的。亦因此，地球才得以孕育出生命。所以，只有在大氣層外的人造衛星，才能探測到這些來自遙遠天體的高能量幅射。 從發現第一個伽瑪射線暴源以來，天文學家已經研究了這種天文現象將近 50 年了。可是，伽瑪射線暴仍然是天文學其中一個最神祕的未解之謎。我們對於伽瑪射線暴的了解，到今時今日依然不多： 一、我們觀察到它們來源的方向是「各向同性的」 (isotropic, 即不是來自宇宙特定某個方向) [2,3,4]。 二、我們發現它們的爆發時間長度，大致可以分為兩個類別：長伽瑪射線暴 (兩秒以上) 和短伽瑪射線暴 (兩秒以下) [3]。 三、透過觀察它們的可見光「餘輝」(afterglow, 在上世紀 90 年代首次發現 [5,6] 伽瑪射線暴在放出伽瑪射線後也會放出可見光)，天文學家就可以量度它們的宇宙紅移。紅移數值越高，表示該天體離地球越遠，也代表它們是在越久遠的時候爆發的，因為伽瑪射線需要更多的時間走過更長的距離才能到達地球。我們發現，伽瑪射線暴距離我們非常非常遠，從約 1 億 4 千萬光年 (紅移 = 0.01) 到 3 千 5 百億光年 (紅移 = 10) 都有，即大約爆發於 1.5 億年前到 133 億年前。…… Continue reading 科研解碼：淺談伽瑪射線暴
余海峯 David | 物理喵 phycat 