可能源自物质和反物质的湮灭！天文学家观测到有史以来最强烈的伽马射线暴
文摘
科学
2024-08-20 18:16
中国
被称为GRB 221009A的伽马射线暴是人类观测到的最强烈的伽马射线暴。现在，科学家终于能够揭示它的形成机制。观测数据显示，这一现象与物质和反物质的湮灭密切相关。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
2022年，科学家观测到了一次异常明亮且持久的伽马射线暴。这次伽马射线暴被命名为GRB 221009A，尽管其来源离地球超过20亿光年，但它的威力仍足以影响到地球的大气层，是人类观测到的最强烈的伽马射线暴。更令人震惊的是，在这场极其猛烈的爆炸中，隐藏着一个被认为不可能存在的神秘信号。这个信号首次向我们揭示了伽马射线暴的形成细节，并暗示形成过程中存在物质与反物质的湮灭。由费米伽玛射线空间望远镜镜观测到的GRB 221009A的10小时缩时录影。（图片来源：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration）伽马射线暴是宇宙中自大爆炸以来能量和光度都最高的辐射爆发事件。科学家推测，能量最高的伽马射线暴是在恒星坍缩成黑洞的过程中产生的。黑洞随后喷射出接近光速的物质流，穿透残余的恒星物质，释放出可被我们观测到的辐射爆发。
但是，伽马射线暴产生的具体机制，以及黑洞喷流中可能包含什么物质，仍是有待解决的谜团。之所以这些谜团难以解决，主要是科学家无法从伽马射线暴的光谱中获得有价值的信息。通常情况下，天体的光谱都包含明亮或黑暗的线条，这些线条就是谱线。每条谱线对应着特定的化学元素或分子，谱线的强度表示了这种元素或分子的丰度。所以，科学家可以通过分析光谱，来获悉所研究的天体包含哪些元素或分子。问题是，伽马射线暴的光谱总是均匀的，并不存在明显的谱线。上世纪90年代，科学家曾兴奋地发现一些伽马射线暴的光谱似乎存在明显的谱线，但经过仔细分析后，他们发现这些其实源自统计误差，并得出结论：伽马射线暴的光谱不可能出现明显的谱线。然而，荷兰拉德堡德大学的玛丽亚·拉瓦西奥（Maria Ravasio）和同事发现，GRB 221009A的光谱在约10兆电子伏特处存在一条明亮的谱线（换句话说，就是一个能量峰值）。拉瓦西奥发现这条谱线时，她以为他们的研究出现了错误。但进行详细的统计分析并排除了观测仪器的问题后，拉瓦西奥和同事得出结论：这条谱线是真实存在的。那么，这条神秘的谱线是怎么产生的？拉瓦西奥等人认为，黑洞喷流中的物质都具有极高的能量，所以喷流中通常不存在完整的原子。这就剩下了一种可能的解释：电子与正电子（电子的反粒子）的湮灭。这种湮灭将在约511千电子伏特上产生一个明显的谱线。那么，为何科学家是在约10兆电子伏特处检测到了谱线？拉瓦西奥等人解释道，这是由于这股辐射正以极快的速度向我们驶来，导致其频率变高了。这就像一辆警车向你驶来时，警笛声的频率变高一样。根据频率变化的程度，拉瓦西奥等人计算出了产生伽马射线暴的喷射的速度。他们发现，这个速度达到了光速的99.99%。许多科学家认为，发现一个具有明显谱线的伽马射线暴是这一研究领域中最为重要的突破之一。一些科学家还认为，其他伽马射线暴也可能有类似的谱线，值得我们去寻找。这个发现不仅有助于我们更深入地了解宇宙中高能事件的机制，还能为天文学和物理学的研究提供宝贵的数据。通过分析这些谱线，科学家可以揭示伽马射线暴的起源、演化过程以及其与其他天体现象的关系，从而推动我们对宇宙的认识迈向新的高度。参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3638
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