我国科学家发现宇宙最高能量伽马谱线,这对我国来说具有哪些重大意义?


这个话题估计没什么热度,太枯燥了,我用最通俗的语言试着写一下吧。

简单一句话,就是外国的望远镜都过曝了,但中国的望远镜没过曝。(不求准确,但求理解)

大概是下面这么个情况。

2 年前,也就是 2022 年 10 月,全球的天体物理学家都注意到了人类有史以来直接探测到的最明亮的伽马射线暴(GRB),并给它编了个名字:GRB 221009A。

全世界的天体物理学家都像捡到宝一样来研究这个 24 亿光年外的事件[1]

先简单铺垫一下,所谓“伽马射线暴(GRB)”,是一种很牛叉的天体灾难性事件,可以说是宇宙中已知的能量最大的爆炸。通常超过 2 秒的被称为长伽马射线暴,一般认为是大质量恒星的坍塌形成的,而持续时间短于 2 秒的,被称为短伽马射线暴,一般认为是双中子星或中子星与黑洞合并引起的。虽然这个只是一个通常的认识,不过目前我们已经知道(其实也就是最近人类才弄清楚),GRB 221009A 是一颗大质量恒星的坍塌和随后的爆炸形成的[2]

由于它是“有史以来最亮的”伽马射线暴[3],在爆发后的头几个月里,它甚至掩盖了超新星的特征,像韦伯这样的望远镜得等它亮度明显褪去之后,才有机会在余辉中观测到超新星的元素光谱。它产生了有史以来最高能量光子的观测值,这就出现了一个状况,很多仪器“过曝”了,也就是传感器过饱和了。

这次中科院高能所团队的论文[4],就是解决这个事儿的。这个估计大部分宣传文都不会说这么细,可能真的感兴趣的人不多,我也就简单说一下,大家想看的话我再补充细节。

这次发现有什么特别的?

全球专门观测伽马射线暴的望远镜,最有名的就是大名鼎鼎的费米伽马射线太空望远镜,基本上你能看到关于伽马射线暴的报道,很多都会提它的名字。这次 GRB 221009A 就是费米望远镜第一个向全球发出警告的(还有空间 X 射线望远镜,后来雨燕卫星也发出警报了),全球有能力观测的望远镜都第一时间指向了那里[5]。费米很快就报告了 10 MeV 的谱线。(稻城的“拉索”也记录到了高达 10 万亿电子伏特以上的伽马光子[6])。但是,由于受到仪器限制,费米等望远镜都无法在伽马射线暴最明亮、最有趣的部分探索谱线特征。通俗地说,包括费米望远镜在内的很多仪器过曝了。

但是,我国自主研制的、2022 年 7 月 27 日才发射入轨的极目空间望远镜(GECAM-C),它没过曝!

当然,也不是说一点影响都没有,极目空间望远镜配备了 12 个伽马射线探测器(GRD)[7],其中 10 个是高增益(HG,约 6-300keV)+ 低增益(LG,约 0.4-6MeV)的,所有高增益部分都受到了影响,但低增益部分数据质量很不错,所以中科院这个团队就用准确的低增益数据去校正不那么准确的高增益数据。然后再和费米望远镜能用的数据这么一结合,就能对 GRB 221009A 进行比较全面的光谱分析了。也就是说,这么中西一结合,就能够探测到这次伽马射线暴的“全过程光谱”,尤其是超亮的那一段儿,这样就能从比较连续的光谱中揭示出前所未有的发射线细节了。

(有个插曲,在这次爆发期间,其实有两台 GECAM 仪器在运行,GECAM-B 和 GECAM-C,GECAM-B 是 2020 年 12 月与 GECAM-A 一起发射的专用伽马射线监测仪微型卫星,但在伽马射线暴主暴阶段正好被地球挡住视线了。)

大致就是这么个情况。细节的我就不去说了。总之,我们在 T(246, 256)这个伽马暴主暴时间段里,首次发现发射线具有最高达 37 兆电子伏特的谱线能量。或者更准确地说,是通过在 246-256s、270-275s 和 275-360s 这三段时间范围内检测到谱线,确认发射线的中心能量是从约 37MeV 演变到约 6MeV。

之前还没有哪个论文提到过这一结果,因为它发生在伽马射线暴最明亮的部分,许多伽马射线监测器(GECAM-C 除外)都受到了严重的仪器影响。

看那条最上面的线(为显示方便,不同时段会乘一个倍数)

更重要的是,团队还发现发现谱线的相对展宽较窄(仅 10%左右)且基本不随时间变化(通量恒定),并以幂律衰变的形式揭示了发射线的显著时间演化,这类似于 TeV 余辉的行为。

有什么用?对我们普通人用处不大,但是这一结果不太支持均匀射流的简单高纬度发射效应,但可以用蓝移电子 - 正电子对(511keV)湮灭来解释,它们有可能是以一个团块的形式,和相对论性喷流一起移动。

这次的发现,对我们能更好地认识伽马暴及相对论性喷流的物理性质和产生机制很有帮助,可以说是伽马暴观测的一次重大突破,为破解伽马暴及相对论性喷流产生之谜提供了全新的重要线索。

没用的知识又增加了。

我很好奇,有几个人能看到这里。

【一更】

没想到,真没想到,这么枯燥的贴子还有这么多人点赞,那我就再多啰嗦一些吧。

有很多人留言问,为什么我们的卫星没过曝。

这主要得益于 GECAM 专门为极亮的伽玛爆发设计过了应对程序。

前面说过,GECAM-C 配备了 12 个 GRD 探测器,这里面有 6 个是基于 LaBr3 的,另外 6 个是基于 NaI 的。GECAM-C 是安装在 SATech-01 卫星上的,在卫星的顶部和底部分别有一个小板子,每块板子上都装了 6 个 GRD 探测器,分别指向不同的天区方向,就有点像以前迪厅那个镭射球灯的意思。

在探测到强伽玛暴的信号前的 68 秒到爆发后的 329 秒期间,GECAM-C 正好处在高粒子通量区域,于是按指令以特殊模式运行,在这种模式下,只有一个伽马射线探测器(编号 GRD01)和一个带电粒子探测器(CPD02)启用。

从 329 秒开始到 678 秒为止,GECAM-C 离开了高粒子通量区域,因此又切换到了正常工作模式,在该模式下,所有伽玛探测器都启用,这样即使有探测器刚刚过曝了,这时其它探测器也能继续接下来的探测工作。

从下图 B 能看出,在 ME 期间(220 秒到 300 秒左右,图中粉色区域),浅蓝色线条的 GRD01 探测器处于死区。所谓死区(deadtime),可以理解为你被闪光灯亮瞎眼之后重新能看见的那一段时间段,在死区里粒子侦测器有可能会失去记录功能。而在后来 flare 耀斑发生时,深色的 GRD05 的 HG 通道短暂出现了数据饱和,但的 GRD01 反而没有饱和。

这个难就难在怎么通过这些数据,来还原那些饱和的数据。这就得靠低增益的(图 C)。虽然高增益的数据在死区时间存在记数不正确的问题(导致计数率略高),但可以用准确的低增益数据来校正高增益数据。低增益信道中的最大计数率约为每秒 30 k(高增益是这个的 10 倍),计数小,意味着探测的光子少,就更不容易过曝,几乎可以忽略能谱测量中的脉冲堆积效应。这就是解决问题的关键步骤。

当然,还要结合其它望远镜的数据(比如图 A 是我国第一台太空望远镜慧眼的数据)来拟合了。具体过程我就不写了,已经写得又臭又长了。

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