宇宙“电磁炸弹”能炸出γ射线爆的起源吗？

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文章来源：《自然》 2021年1月14日刊

原作：Christopher Thompson

翻译：艾宇熙

校译：黄雪妮

编排：王招君

审阅：牧夫天文校对组

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-03657-8

21世纪的许多天文学研究都是对暂时现象的研究。天文学家们通过望远镜进行巡天，收集从微波到伽马射线波段的电磁波谱，它们揭示了多种短暂而神秘的“大灾变”活动，比如超新星爆发和伽马射线暴。然而我们对于这类宇宙中的爆炸活动的认识受到两方面的限制：首先，我们无法看到这类爆炸的内部是如何运作的；其次，这类剧烈活动发生的频率很低。近期在《自然》和《自然 天文学》上发表的三篇文章为河外星系中分布的耀发伽马射线源的研究奠定了基础。天文学家们曾在银河系近处发现过这些耀发伽马射线源的类似物，并且研究了它们处于宁静期的性质。这些射线源还可能和天文学最热门的话题——快速射电暴有关。

有一类恒星遗迹被称为磁陀星（magnetar），它们“闪耀”的方式与其他天体不同。它们看似普通的中子星（如射电脉冲星），密度极高，但它们的磁场强度比大多数脉冲星高一千倍。它们发出辐射的主要能源既不是核聚变（例如太阳），也不是散热（如白矮星），甚至也不是星体自旋（如射电脉冲星），而是强电流的衰减。磁陀星中强电流的衰减产生的强磁场可以导致X射线或伽马射线的爆发。

磁陀星在宁静期的亮度也比太阳高100倍。而在其爆发时，磁陀星的亮度可以达到太阳的一万亿倍，在不到一秒的时间里释放出的能量可以超过它在此前宁静期的十年时间里释放的能量总和。天文学家们曾在银河系中观测到几次磁陀星的耀发。但是离得近的爆发也有坏处，它们的亮度对于空间望远镜上的X射线和伽马射线望远镜来说有些太高了。

在今年1月14日的《自然》杂志上，同时发表了Svinkin等人和Roberts等人的两篇论文，他们通过行星际观测网将2020年4月15日探测到的一次伽马射线脉冲与一次位于NGC253（也被称为玉夫星系）的河外磁陀星耀发对应了起来。两组研究者都分析了这次耀发的伽马射线频谱轮廓和时间轮廓。这个伽马射线耀发的轮廓很明显含有两个成分：一个成分短暂而剧烈，仅持续了几千分之一秒；另一个成分呈指数衰减，衰减速度比前一个成分慢十倍。变化较慢的成分所含的总能量多于变化较快的成分。

图注：NGC253星系

图源：Dylan O'Donnell

相对于其他天体，为什么磁陀星的能量输出呈现如此的阵发性？我们知道一些白矮星也具有强磁场，但它们不会产生类似的能量爆发。

答案或许与磁陀星的温度有关。尽管磁陀星的表面比其他天体更热，但它们本质上是“冷”的物体。中子星的外层由富含中子的重核组成，它们在形成中子星的塌缩发生后就会开始凝结为固态。比起地球的外壳，这个中子星外壳的性质很诡异——在外壳的深处，温度远低于其成分的熔点。此外，中子星外壳的成分具有极佳的导电性，使得它与磁场的变化绑定在一起。在磁陀星的宁静期，磁场与外壳的变化都比较缓慢，而爆发期则快速变化。

天文学家们尚不清楚是什么促使了磁陀星耀发。在磁陀星表层，并不存在类似于太阳表层那样的旋涡对流运动。但在耀发过程中，研究者有充分理由相信磁陀星表层发生了剧烈的瓦解——就像地球上的大陆发生翻转那样。2020年4月15日信号的慢变化成分很可能是壳层变形引起的。

这种变形可以扭曲磁陀星的磁场，产生比日冕中的粒子运动强十亿倍的不稳定电流，这会导致进一步的后果，即类似太阳耀斑的磁环喷射。剧烈的磁场扰动足以导致高密度的含有电子、正电子和伽马射线的气体外泄。而如此高导电性的气体和变化的磁场最终产生了研究者们看到的信号。

”

同期，费米伽马射线大视场空间望远镜（Fermi LAT）团队也在《自然·天文学》上发表了同一主题的论文。他们报告了前两篇论文所讨论的低能伽马射线在持续了19秒后，又产生了一次持续几分钟的高能伽马射线爆发。这是天文学家们首次在磁陀星耀发中探测到延迟的高能伽马射线。

整体而言，近期发表的关于伽马射线耀发的三篇论文为研究中子星周围的磁应力松弛提供了直接线索。理论学者们提出过各种不同的模型来解释磁陀星耀发，而对于耀发案例中参数的研究有助于缩小可行理论的范围。天文学家们期待着更多对于河外磁陀星耀发的观测和发现。

责任编辑：邱煜欣

牧夫新媒体编辑部

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Image Credit : Russell Croman

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