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2022-12-08 作者:天文与空间科学学院博士生 来源:科学技术处

南大天文博士生《自然》发文提出伽马射线暴起源新模型

太阳一秒钟释放的能量有多大?大概可供人类使用几十万年。自宇宙诞生以来,有一类天体事件居然可以在一秒钟释放出太阳毕生的能量总和,它就是最猛烈的天体爆发现象——伽马射线暴(英文为gamma-ray burst,简称GRB)。

北京时间2022年12月8日,南京大学天文与空间科学学院张彬彬教授研究团队领衔在全球顶级科研期刊《自然》发表论文"A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin"。该团队发现了一例观测上具有特殊意义的伽马射线暴GRB 211211A,通过详尽的数据分析得出这一长伽马暴与千新星成协的证据,并原创性地提出了这一事件背后的特殊物理起源,指出其前身星可能为中子星-白矮星并合系统。论文第一作者为南京大学天文与空间科学学院博士研究生杨俊。

伽马射线暴是来自宇宙深处的一种伽马射线辐射突然增强并快速衰减的爆发现象。自1967年被人类首次发现以来,伽马射线暴的观测样本已有近万个。通过对这些大样本的统计,人们发现,伽马射线暴的持续时间覆盖了从数毫秒到数千秒的范围,其分布以两秒为界呈现出显著的双峰结构。因此伽马射线暴被分为短暴和长暴,其典型持续时间分别在0.5秒和25秒左右。

长短暴的物理起源一直是天文学家争论的焦点。长期以来天文学家推断二者有着截然不同的物理起源:长暴是大质量恒星演化到末期核坍缩时的产物,伴随着超新星爆发;短暴起源于致密双星并合(即中子星-中子星、或中子星-黑洞的并合),伴随一种名为千新星的热暂现源。上述观点也在恒星演化和能源机制等理论方面得到支持,例如:对于一个由吸积驱动的伽马暴"中心引擎"来说,其持续时间本质上可由前身星被吸积物质的密度来决定。这一密度决定了吸积过程的持续时间,进而可与伽马暴的持续时间(即伽马暴"中心引擎"活动时间)关联起来。根据这一关系,可推算出大质量恒星和中子星的密度所对应的吸积时间恰好与长暴和短暴的典型持续时间相符。在观测方面,天文学家对长短暴物理起源的证实却历经了数十年。尽管二十世纪九十年代末,天文学家已经在长暴的光学余辉中发现了超新星爆发的特征谱线,证实了长暴的核坍缩起源,但直到2017年8月17日,天文学家对双中子星并合引力波事件GW170817以及短暴GRB 170817A的联合探测才正式建立起短暴和双中子星并合的关联性,同时证实了后随千新星的存在。至此,有关伽马射线暴两种物理起源,特别是短暴与千新星的关联性似已尘埃落定。

然而,在已知中发掘未知、在常例中寻找特例、在模式中引领创新,这向来是基础学科,特别是天文科研工作者的"行事风格",对伽马射线暴的特殊物理起源的研究亦不例外。南京大学张彬彬教授研究团队多年来致力于伽马射线暴的产生机制和物理起源的研究,取得了多项突破性成果。近年来,通过对引力波伽马暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Communications)、三胞胎伽马暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Astronomy)、坍缩星起源短伽马暴( Zhang, B.-B. et al. 2021, Nature Astronomy)等特殊伽马暴事件的研究,该团队不断地推进了人们关于伽马暴特殊物理起源和物理分类的认知。近日,该团队发表于《自然》期刊的论文揭示了一例特殊物理起源的长伽马射线暴事件,进一步证明了伽马暴起源的多样性,彰显"特殊"这一关键字在基础科学发现上的独特魅力。

这一特殊的伽马暴事件编号为GRB 211211A。其独特之处在于,它虽是一个长暴,却与千新星有明确的关联。该研究团队首先对它的瞬时辐射数据做了详尽的分析,发现它的光变曲线由一个13秒的主要爆发阶段和一个55秒的延展辐射阶段组成(图1)。其延展辐射特征与以往的"尾巴辐射"明显不同,呈现显著的高能辐射且能谱峰值能量远高于硬X射线的能量范围。这就意味着,人们无法像以前一样通过"冰山效应"将其解释为内秉的短暴,只能将其确定无疑地归类为长暴。然而, 这一伽马暴的其它瞬时辐射特征、宿主星系特征和超新星缺失都与典型长暴的特征不符,却出奇地与致密星并合起源的短暴高度一致。南京大学张彬彬教授研究团队通过多波段观测数据寻找到了千新星辐射存在的证据(图2),从而一锤定音地确定了GRB 211211A的并合起源。这是首次发现爆发时间远超短暴典型时间的致密星并合起源的长伽马暴,也是首次发现来自长暴的千新星。

GRB 211211A独一无二的观测特征挑战了科学家们对伽马射线暴前身星系统和中心引擎模型的认知。首先,超新星缺失可以直接排除此暴起源于大质量恒星核坍缩的可能性;其次,主要爆发阶段的13秒时长超过了统计上短暴持续时间的上限(9秒),而理论上中子星-中子星/黑洞并合所提供的中心引擎吸积时标也很难达到如此长的时间。该研究团队进一步指出,现有的前身星模型都无法解释此暴独特的观测特征。因此,为解释该持续时间,研究者必须要提出一种新的前身星模型,其前身星系统必须包含密度低于中子星物质密度的致密天体,方可满足中心引擎的吸积时标达到数十秒的要求。此外,这一系统也必须产生足够的中子物质来支持千新星的产生。基于上述分析,新的前身星系统已彰明较著,即白矮星-中子星并合系统。该研究团队认为,白矮星-中子星并合之后产生了一个快速自转、高度磁化的中子星,即磁星。磁星的旋转能和磁能驱动了55秒的延展辐射和数千秒的X射线平台辐射,并为千新星提供了额外的能量注入。该研究团队首次提出这一方案来解释GRB 211211A,并指出其能够自洽且完整地符合该暴的所有观测特征。未来的低频引力波探测器有望证实这种前身星系统的存在。图3形象地展示了上述模型产生的这一特殊的伽马射线暴。

该项成果以南京大学为第一作者单位和第一通讯单位,于北京时间2022年12月8日发表在《自然》期刊。南京大学天文与空间科学学院博士研究生杨俊为本文的第一作者。南京大学张彬彬教授和内华达大学张冰教授为该论文的通讯作者。作为主力参与模型构建和数据分析工作的合作者包括内华达大学拉斯维加斯分校的博士研究生艾舜轲、南京大学天文与空间科学学院张彬彬研究团队的硕士研究生刘子科、博士研究生王翔煜、博士研究生杨雨涵,以及研究团队成员南大物理学院本科生尹一涵。中国科学院紫金山天文台李晔博士及广西大学物理科学与工程技术学院吕候军教授共同参与了这一研究工作。本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国空间站项目、江苏省自然科学基金、江苏省双创计划、国家"双一流"建设经费等支持。

文章链接:

[1]: Jun Yang, Shunke Ai, Bin-Bin Zhang, Bing Zhang et al., A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin, 2022, Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05403-8


图1. GRB 211211A 的光变曲线

图片来源:Jun Yang, Shunke Ai, Bin-Bin Zhang, Bing Zhang et al., 2022, Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05403-8

图2. GRB 211211A 的多波段观测及其模型拟合

图片来源:Jun Yang, Shunke Ai, Bin-Bin Zhang, Bing Zhang et al., 2022, Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05403-8


图3. GRB 211211A 的艺术想象图

图片制作: 南京大学艺术学院雷晗雨、陈静

科学指导及创意:南京大学天文与空间科学学院李子晗、杨俊、内华达大学拉斯维加斯分校艾舜轲