数据模拟实验定位伽马暴中光子的起源

科技工作者之家 2019-04-08

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恒星爆炸时射出的“相对论性喷流”

伽马射线暴(Gamma Ray Burst, 缩写GRB),又称伽马暴,指的是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象。它是人类在宇宙中所观测到的最强大的电磁现象。在一秒钟内,它释放的能量相当于太阳整个生命周期中释放的能量总和。尽管早在1967年科学家就观察到了这一现象,但长期以来导致这种巨大能量释放现象的作用机制仍是未解之谜。几十年后,经天文学家研究终于发现,长伽马射线爆发——GRB的类型之一——源自于大质量恒星死亡时射出的相对论性物质喷流。然而,伽马射线究竟是如何在喷流中产生的仍无定论。

据美国“科学日报网”(ScienceDaily.com)4月3日消息称,日本理化学研究所创新研究集群(RIKEN Cluster for Pioneering Research,下文简称理研所)的科学家们在《自然·通讯》杂志同日发表了一篇研究论文阐述,他们的数据模拟实验证明,长伽马射线爆发所射出的光子产生于在光球层,即恒星爆炸时射出的“相对论性喷流”(relativistic jet)的可见部分。

该论文的其中一名研究者曾提出过一个名为“Yonetoku关系”的概念,描述了光谱峰值能量与GRB峰值亮度之间的关系。这是迄今为止科学家在GRB发射特性中所发现的相互关系最为紧密的关联性,也是该篇论文成果的基础和前提。因此,它为解释发射机制提供了迄今为止最好的诊断依据与结论,并为任何伽马暴模型提供了最严格的测试手段。这种相关性还意味着,长伽马射线暴可以被用作测量天文距离的“标准烛光”(standard candle)——它不仅比利用“1A型”超新星让我们能够更深入地观察和回溯宇宙过去的历史,还能让我们探知暗物质和暗能量等神秘现象的奥秘。

该小组利用了包括日本国家天文台的“Aterui”、理研所的“Hokusai”和汤川理论物理研究所的“Cray xc40”在内的若干台超级计算机进行了模拟实验,重点研究了所谓的“光球发射”模型,这是目前天体物理学界关于GRB发射机制的主要模型之一。这个模型假定从地球上可见的光子是从相对论喷流的光球层发射出来的。随着喷流的膨胀,由于引起光线散射的天体越来越少,光子也更容易从喷流中逃逸出来。一方面,为了验证这个模型的有效性,研究小组力图以基于相对论性喷流和辐射传输的整体动力学过程的研究手段来对它进行测试。另一方面,为了对冲出大质量恒星包裹层的相对论性喷流的辐射状况进行评估,他们将三维相对论性流体力学模拟实验与辐射传输运算结果相结合,从而确定了至少对于长伽马射线暴——与大质量恒星坍缩相关的GRB类型——而言,该模型是成立的。该模拟实验结果显示,“Yonetoku关系”可以作为喷流与恒星相互作用的自然结果而得到再现。

理研所的Hirotaka Ito解释道:“对我们来说,这强有力地说明,光球层发射就是GRB的发射机制。虽然我们已经阐明了光子的起源,但是关于相对论性喷流本身是如何产生于坍缩的恒星,仍然存在一些谜团。我们的运算结果应该能为未来研究导致这些极其强大天文事件的潜在基本机制,提供有价值的洞见。”

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编译:Jonathan 

审稿:alone 

责编:唐林芳 

期刊来源:《自然·通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190403080446.htm

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