伽馬射線爆發(fā)是一種短暫且威力極大的宇宙爆炸，伽馬射線暴（GRB）被認(rèn)為是大質(zhì)量恒星坍塌或或超新星或中子星在遙遠(yuǎn)星系中合并的結(jié)果。伽馬射線暴從最初非常明亮的閃光開始，稱為即時發(fā)射，持續(xù)時間從零點(diǎn)幾秒到數(shù)百秒不等。

即時發(fā)射伴隨著所謂的余輝，一種不太明亮但持續(xù)時間更長的發(fā)射，在廣泛的波長范圍內(nèi)，隨著時間的推移而褪色。伽馬射線暴190114C的發(fā)現(xiàn)，首次測量到最高能量的光子，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》期刊上。

這一突破性觀測為理解伽馬射線爆發(fā)中的物理過程提供了關(guān)鍵見解，伽馬射線爆發(fā)仍然是神秘的。此次探測到的光子必須來自迄今為止在伽瑪暴余輝中看不到的過程，明顯不同于已知的導(dǎo)致其在較低能量下發(fā)射的物理過程。兩顆空間衛(wèi)星獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一伽瑪射線暴：尼爾·蓋瑞斯·斯威夫特天文臺和費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡。這一事件被命名為GRB190114C，在22秒內(nèi)，它在天空中的坐標(biāo)作為電子警報分發(fā)給世界各地的天文學(xué)家，包括Magic Collaboration，他操作著位于西班牙拉帕爾馬兩個直徑為17米的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。

MAGIC多波長觀測

由于伽瑪暴出現(xiàn)在天空中不可預(yù)測的位置，然后迅速褪色，通過望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察需要一個專門的后續(xù)策略。自動系統(tǒng)實(shí)時處理來自衛(wèi)星儀器的伽馬射線爆發(fā)警報，并使望遠(yuǎn)鏡迅速指向伽馬射線爆發(fā)的天空位置。這些望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計為非常輕，并且能夠快速重新定位：盡管每個望遠(yuǎn)鏡的重量為64噸，但它們可以在大約25秒內(nèi)到達(dá)并開始觀察天空中的任何給定位置。MAGIC能夠在伽馬射線爆發(fā)開始50秒后開始觀察GRB 190114C。對最初幾十秒結(jié)果數(shù)據(jù)的分析揭示了余輝中光子發(fā)射達(dá)到太電子伏(TeV)能量，即比可見光高出一萬億倍的能量。

在此期間，來自GRB190114C的TeV光子發(fā)射比已知TeV能量最亮穩(wěn)定源蟹狀星云強(qiáng)100倍。通過這種方式，GRB190114C成為已知最亮TeV光子源的創(chuàng)紀(jì)錄者。正如對GRB余輝的預(yù)期，發(fā)射隨著時間的推移而迅速褪色，類似于在較低能量下已知的余輝發(fā)射。在衛(wèi)星發(fā)出警報幾小時后，經(jīng)過仔細(xì)檢查初步數(shù)據(jù)，MAGIC望遠(yuǎn)鏡觀測團(tuán)隊(duì)首次向國際天文學(xué)家宣布了對伽瑪暴中TeV光子的明確檢測。這促進(jìn)了二十多個觀測站和儀器對GRB 190114C的多波長(MWL)后續(xù)觀測廣泛活動，提供了從無線電波段到TeV能量，該伽馬射線暴的完整觀測畫面。

最高能量光子

盡管一些理論研究已經(jīng)預(yù)測了伽馬射線暴余輝中的太電子伏(TeV)能量發(fā)射，但在很長一段時間內(nèi)，它在觀測上仍然是難以捉摸的，盡管在過去的幾十年中，使用包括MAGIC在內(nèi)的各種儀器對TeV能量進(jìn)行了無數(shù)次搜索。MAGIC最終探測到TeV光子的產(chǎn)生背后是什么物理機(jī)制？MAGIC合作的副發(fā)言人安東尼奧·斯塔梅拉指出：這些能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同步輻射的預(yù)期，這是由高能電子在磁場中旋轉(zhuǎn)引起。這一過程被認(rèn)為是先前在伽馬射線暴余輝中較低能量下觀察到的發(fā)射原因。這些新的結(jié)果，加上非常全面的MWL數(shù)據(jù)，為余輝中額外的獨(dú)特發(fā)射過程提供了第一個明確的證據(jù)。

從研究來看，TeV發(fā)射最有可能的來源是所謂的逆康普頓過程，即通過與高能電子碰撞，光子群體的能量顯著增加。自從伽馬射線爆發(fā)首次被發(fā)現(xiàn)50多年后，許多基本方面仍然是神秘的。在電磁光譜新TeV窗口中發(fā)現(xiàn)GRB 190114C的伽馬射線發(fā)射，表明伽馬射線暴威力比以前想象的更強(qiáng)。通過MAGIC獲得的關(guān)于GRB 190114C豐富新數(shù)據(jù)和廣泛的MWL后續(xù)觀測現(xiàn)在提供了重要線索，以解開一些關(guān)于伽馬射線暴中物理過程的奧秘。通過MAGIC對之前所有伽馬射線暴后續(xù)活動的比較研究表明，GRB 190114C并不是一個特別獨(dú)特的事件，成功地探測要?dú)w功于該儀器的出色性能。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1750-x

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