宇宙“怒吼”：伽玛射线爆发！！

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科学日报报道，近日科学家们利用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜阵（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,简称ALMA）进行的观测首次直接描绘了伽马射线爆发（GRBs）宿主星系里的分子气体尘埃。伽马射线爆发是宇宙里最大的爆炸。


出人意料的是，所观察到的气体比预想的更少，而尘埃反而更多，使得某些GRBs看起来像“昏暗的GRBs”。这项研究被发表在6月12日的期刊《自然》上，它也是首次公开发表的ALMA对GRBs的科研结果。这显示了ALMA具有帮助我们更好理解这些天体的潜力。


伽马射线爆发（GRBs）是遥远星系里极其高能量的密集爆发，它是宇宙里最明亮的爆炸性现象。持续时间为几秒的爆发被称为长时间伽马射线爆发（LGRBs），它与超新星的爆炸密切相关，后者是巨大恒星在生命末期产生的巨大爆炸。


在几秒的时间内，典型爆发释放的能量相当于太阳在整个100亿年的生命周期里所释放的能量。爆炸本身会伴随缓慢衰退的放射，被称为余晖，据称它是由被喷射的物质和周围的气体碰撞产生的。然而，有些神秘的伽马射线爆发似乎并没有余晖——它们被称为昏暗爆发。其中一种可能的解释便是尘埃云吸收了余晖辐射。


在近些年，科学家们一直致力于通过调查宿主星系以便更好地理解GRBs是如何形成的。天文学家认为在星系中央活跃的恒星形成区域将会发现GRB先祖的巨大恒星，而这片区域周围被大量的分子气体所包围，后者是恒星形成的燃料。然而，目前尚未有任何观测结果支持这一理论，使得它成为长久存在的一个谜题。


由日本国家天文台、京都大学研究生院博士后研究员Bunyo Hatsukade带领的日本天文学家小组利用ALMA监测了两个昏暗LGRB宿主行星——GRB 020819B和GRB 051022——分子气体里的无线电发射，这两个星系距离地球分别为43亿和69亿光年远。尽管在此之前从未在GRB宿主星系内监测到这样的无线电发射，ALMA因其前所未有的高度敏感性使得一切变为可能。


研究小组成员、日本东京大学的和野太郎（Kotaro Kohno）教授表示：“在过去的10年间，我们利用全世界各地不同的望远镜一直在寻找GRB宿主星系的分子气体。利用强大的ALMA我们终于获得了突破性进展。我们对已经取得的成就感到非常激动。”


ALMA超高分辨率获得的另一个了不起的成就便是揭示了GRB宿主星系里分子气体和尘埃的分布。对GRB020819B的观测揭示了宿主星系边界存在一个尘埃异常丰富的环境，而分子气体只发现存在于星系中央。这是首次揭示GRB宿主星系里的尘埃分子气体分布。


“我们并未预料GRBs存在于这样一个多尘埃环境，也即分子气体/尘埃比率是如此的低。这表明GRB产生的环境与典型的恒星形成区域存在本质的不同，” Hatsukade这样说道。这表明当巨大恒星以GRBs的形式死亡时，它会在爆炸前改变恒星形成区域的环境。研究小组相信GRB里较高的尘埃分子气体比率的一个可能解释便是两者对紫外线辐射的反应有所不同。由于组成分子的原子键暴露在紫外线辐射下很容易断裂，因此分子气体很难存活于恒星形成区域里炙热巨大恒星产生的强大紫外线辐射环境。


尽管在GRB 051022也发现了相似的分布样式，但因为分辨率欠佳（GRB 051022比GRB 020819B更遥远）而有待证实。无论如何，ALMA的观测支持了这一假设，也即尘埃吸收了余晖辐射，导致昏暗的伽马射线爆发。


“这次获得的结果远超出我们的预期。我们需要对其他GRB宿主星系进行进一步观测以证实这是否是GRB的普遍环境条件。我们非常期待未来利用性能得到进一步提高的ALMA进行更深入的研究。” Hatsukade这样说道。

                               
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这张艺术家概念图描绘了基于ALMA的观测伽马射线爆发GRB020819B的环境

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