特殊物理起源?, 还是另有"隐"情? —— 短时标伽马射线暴GRB 200826A的几何解释



伽马射线暴(简称"伽马暴"),是一种来自宇宙中任意方向伽马射线强度突然增强随后又迅速减弱的现象,其一次爆发所产生的能量足以摧毁地球,因此也被称作"宇宙中的死神"。1967年,美国的vela卫星首次观测到了伽马暴信号,拉开了伽马暴研究的帷幕。时至今日,各国卫星观测到的伽马暴的总数已增长至上万个。随着越来越多独具特色的伽马暴不断映入眼帘,我们对它也有了更深入的了解。但是,作为宇宙中最剧烈的天体爆发事件之一,其依然有着太多的谜团等待着我们解开,其中一个巨大的谜团是它的起源和持续时间之间的关系。

图一:大质量恒星塌缩产生伽马暴喷流并释放极高能量光子。彩图取自NASA。

 

持续时间是伽马暴一个重要的属性,它能间接地反映出伽马暴的一些物理特征。以两秒的持续时间为界,伽马暴被划分为长伽马暴(简称"长暴")和短伽马暴(简称"短暴")两类。一般认为,长暴起源于大质量恒星的塌缩,而短暴起源于两个致密星的并合(如中子星-中子星 、中子星-黑洞等)。


在2020年8月26日,费米卫星探测到了一个特殊的伽马暴——GRB 200826A。在持续时间上,GRB 200826A的信号持续时间小于两秒,是一个短暴;但通过对其光谱和能量等的分析,发现其起源和长暴一样来自于大质量恒星的塌缩。这个伽马暴的发现给传统伽马暴的传统物理模型带来了巨大的挑战,引起了科学家们极大的兴趣。关于它的成因,南京大学伽马暴研究小组的张彬彬老师等人提出了多种物理解释,提出了白矮星和另一个致密星体并合、超大质量中子星塌缩、喷流突破恒星包层的时间过长以及喷流携带了过多的重子物质[1][2]等模型都可能作为该暴特殊性的解释。美国国家航空航天局美国航天局在第一时间对这个伽马暴进行了跟踪报道,并引述了这些的观点[3]。


在近期发表的一篇论文中,南京大学硕士研究生王翔煜别出心裁地提出了用几何模型去解释这个伽马暴的观测特征[4]。在目前积累的伽马暴的样本中,有一小部分的长伽马暴会存在明显的"前兆辐射",即在主要爆发阶段之前发生一次较弱且持续时间更短的爆发。,并且前兆辐射与主要爆发阶段有着明显的时间间隔,如图二中的绿色光变曲线(第一个脉冲)。有趣的是,如果将GRB 200826A的各项观测特征与其他长暴(例如GRB 160625B)的前兆辐射进行比较,我们发现其性质(包括能谱、光变、持续时间、分类等)完全吻合前兆辐射的特征。若此假设成立,人们不必引入新的物理模型就可以解释这一奇特的伽马暴。这一模型要求GRB 200826A本质上是一个长时标的由前兆辐射和主暴构成的爆发,但由于某种原因,主暴没有被观测到。那么,是什么让我们错过了他的主暴阶段呢?


 第一种解释是伽马暴喷流的进动。一个大质量恒星塌缩形成一个快速旋转的黑洞时,其抛射物并不是各向同性的,这会导致中心黑洞的自转轴和周围吸积盘的旋转轴之间产生夹角。根据广义相对论,黑洞强大且旋转的引力场会引起吸积盘的冷泽-提尔苓进动,进而导致伽马暴喷流的进动。进动的存在意味着伽马暴的喷流并不会一直指向我们,而是会像灯塔的光一样每隔一段时间扫过我们一次。当在前兆辐射阶段,喷流正好扫过我们观测者,而在主要爆发阶段,由于进动喷流又指向了其他方向时,我们便会观测GRB 200826A(如图二红色实线)这样的伽马暴信号。

图二:上、中、和下图分别是有前兆辐射的伽马暴GRB 160625B的光变曲线、GRB 200826A的光变曲线以及观测者和喷流轴线夹角(也称为"视角")随时间变化的图像。灰色阴影部分表示的是视角大于喷流张角,观测者恰好错过了GRB 200826A的主要爆发阶段。


第二种解释是基于南京大学研究生邹泽城等人的工作,提出的双星中的伽马暴可能被遮挡的模型[5][6]。由于集束效应的影响,以相对论速度运动的粒子产生的辐射会集中在运动方向为中心的一个锥形的范围内。这使得当喷流沿径向高速喷出时,只有在观测者视线方向上很小张角(见图三的)内的喷流产生的辐射能被观测者接收。假设产生GRB 200826A的中心天体周围有一颗伴星,并且伴星恰巧在前兆辐射阶段结束后、主要爆发阶段结束之前运动到观测者视线方向并完全遮挡住张角范围的喷流,我们在地球上的观测者就会错过GRB 200826A的主要爆发阶段,如图三所示。  

图三:掩星模型中伴星在前兆辐射(上)和主要爆发阶段(下)与伽马暴喷流的相对位置。


两种模型都从常见的天体运动出发,能够在目前主流的伽马暴起源模型下很好地再演GRB 200826A这一爆发事件,为如何解释类GRB 200826A这样的稀有事件提供了新思路。该解释也说明了伽马暴前身星可能有着复杂的运动,并且会反映在观测的结果中。在今后研究伽马暴的起源时,我们不仅要结合持续时间这一信息,还需要结合更多的其他它方面的观测数据。并且在认定伽马暴起源认定后,我们也将能从持续时间中反推出其更多的运动信息。


该项研究以《GRB 200826A: A Precursor of a Long Gamma-Ray Burst with Missing Main Emission》为题在2022年05月20日发表于美国《天体物理学快报》上。南京大学天文与空间科学学院研究生王翔煜同学为论文第一作者,南京大学张彬彬教授为论文的通讯作者,华中科技大学雷卫华教授合作参与了本研究工作。本工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国空间站项目、江苏省双创计划资金等支持。


文章链接:

【1】Zhang, B.-B., Liu, Z.-K., Peng, Z.-K. et al, A Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse , Nature Astronomy (2021),

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01395-z

【2】https://astronomy.nju.edu.cn/twdt/cggs/20210727/i204610.html

【3】https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-fermi-spots-a-supernova-s-fizzled-gamma-ray-burst

【4】Wang, X.-I., Zhang, B.-B.& Lei, W.-H. GRB 200826A: A Precursor of a Long GRB with Missing Main Emission, ApJL (2022),

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6c7e/pdf

【5】Zou, Z.-C., Zhang, B.-B., Huang, Y.-F. et al, Gamma-Ray Burst in a Binary System, ApJ (2021),

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac1b2d/pdf

【6】https://astronomy.nju.edu.cn/twdt/cggs/20211215/i216837.html