研究團隊使用HESS（高能立體視野）望遠鏡觀測了目前能量最高也是持續最長時間的伽馬射線暴（GRB）的餘輝。令人驚訝的是，觀測結果和GRB的現有理論有嚴重衝突。GRB資料圖
最近，科學家們成功獲得了迄今為止最強大的宇宙爆炸之一的最佳觀測，它發生在與我們很接近的宇宙空間中。
研究團隊使用HESS（高能立體視野）望遠鏡觀測了目前能量最高也是持續最長時間的伽馬射線暴（GRB）的餘輝。令人驚訝的是，觀測結果和GRB的現有理論有嚴重衝突。
「伽馬射線暴是在天空中觀察到的明亮X射線和伽馬射線閃光，來自遙遠的銀河系外。」論文的作者之一、德國電子同步加速器研究所（Deutsches Elektronen-Synchrotron，簡稱DESY）科學家西爾維婭‧朱（Sylvia Zhu）在一份聲明中解釋說。
她繼續說道，「它們是宇宙中最大的爆炸，並且與一顆快速旋轉的大質量恆星坍塌成黑洞有關。釋放的引力能量的一部分為超相對論爆炸波的產生提供了能量。它們的發射分為兩部分不同的階段：一個持續數十秒的初始混亂瞬發階段，然後是一個持久、平滑消退的餘輝階段。」
該伽馬暴首次報導是在2019年8月29日，當時費米（Fermi telescope）和斯威夫特（Swift telescope）太空望遠鏡探測到了波江座方向的伽馬射線爆發。
該事件被稱為GRB190829A，是至今觀測到的最近的GRB之一，距離地球僅10億光年，而其它GRB通常距離地球約20億光年。
「當伽馬射線爆發發生時，我們真的坐在前排觀看。」來自DESY的合著者安德魯‧泰勒（Andrew Taylor）在上述聲明中解釋道。
當HESS望遠鏡可以看到它時，研究團隊立即觀察了它的來源。
「我們可以觀察幾天的餘輝和前所未有的伽馬射線能量。」泰勒繼續說道。
由於這個GRB離我們很近，這使得科學家可以在非常高的能量範圍內詳細觀察餘輝的光譜。該團隊能夠追蹤最初爆炸後三天的餘輝。
「我們可以確定GRB190829A的伽馬射線高達3.3太電子伏特的能量，這大約是可見光光子的一萬億倍。」來自海德堡馬克斯普朗克核物理研究所的合著者埃德娜‧魯伊斯-貝拉斯科（Edna Ruiz-Velasco）在上述聲明中解釋說，「這就是這次伽馬射線爆發的非凡之處——它發生在我們的宇宙後院，那裏的高能光子在到達地球的途中與背景光發生碰撞時沒有被吸收，因為它發生在宇宙中更近的距離。」
已建立的GRB理論普遍認為X射線發射源於GRB強磁場中相對論電子的同步輻射。然而，即使對於最強大的爆炸，這種機制也不太可能直接產生觀察到的超高能伽馬射線。
這是由於「燃盡極限」，由源內粒子的加速和冷卻平衡決定的。產生非常高能量的伽馬射線所需要的能量遠遠超出燃燒極限的電子。相反，目前的理論表明，同步輻射自身康普頓散射會產生超高能伽馬射線，其中快速電子與同步輻射光子碰撞，從而將它們提升到伽馬射線能量。
但是現在對GRB190829A餘輝的觀測表明，X射線和伽馬射線這兩種成分同步消退。此外，伽馬射線光譜與X射線光譜的明顯能相互連接。這對超高能伽馬射線發射的同步輻射自身康普頓散射理論提出了嚴峻挑戰。
「我們的觀察揭示了爆發餘輝的X射線和超高能伽馬射線發射之間奇怪的相似之處。」朱在同一份聲明中解釋道。
因此，新的結果有力地表明，這次餘輝事件中的X射線和超高能伽馬射線是由相同的機制產生的。
「如果這兩個能量範圍內的發射具有不同的起源，那麼在X射線和超高能伽馬射線能帶中觀察到如此非常相似的光譜和時間特徵是相當出乎意料的。」論文合作者，日本立教大學的德米特里‧康古良（Dmitry Khangulyan）在上述聲明中說。
這項研究的深遠影響凸顯了對超高能伽瑪暴餘輝發射進行進一步研究的必要性。早期對極高能量的GRB的探測發生在宇宙中更遠的地方，它們的餘輝只能觀察到幾個小時，而且達不到超過1太電子伏（TeV）的能量。
「展望未來，由目前在智利安第斯山脈和拉帕爾馬加那利島上建造的切倫科夫望遠鏡陣列，等下一代儀器探測伽馬射線爆發的前景，看起來很有希望，」HESS發言人史蒂芬‧瓦格納（Stefan Wagner）在上述聲明中表示，「伽馬射線暴的普遍豐度使我們預期在極高能帶中的常規探測將變得相當普遍，這有助於我們充分了解它們的物理機制。」
新結果發表在2021年6月4日的《科學》雜誌上。
