NASA费米探测器在前所未有的伽玛射线暴中探测到独特的能量峰值

研究人员利用美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜的数据，在有史以来最亮的伽玛射线暴之后发现了一个独特的能量峰，表明电子和正电子发生了湮灭。这一发现为宇宙喷流的行为以及此类爆发后的极端条件提供了新的见解。

在这幅艺术家的构想图中，以接近光速运动的粒子喷流从一颗巨大的恒星中喷涌而出。恒星的核心燃料耗尽，坍缩成一个黑洞。一些向黑洞涌去的物质被重新定向，变成了向相反方向喷射的双射流。当其中一个喷流恰好直指地球时，我们就会看到伽马射线暴。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

2022 年 10 月，天文学家被一个被迅速称为"BOAT"的现象震惊了--这是有史以来最亮的伽玛射线暴（GRB）。现在，一个国际科学小组报告说，来自美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的数据揭示了一个前所未见的特征。

荷兰奈梅亨拉德布德大学的首席研究员玛丽亚-埃德维奇-拉瓦西奥（Maria Edvige Ravasio）说："在BOAT爆发几分钟后，费米伽马射线暴监测器记录到一个不寻常的能量峰值，引起了我们的注意。当我第一次看到这个信号时，我的鸡皮疙瘩都起来了。我们此后的分析表明，这是研究 GRB 50 年来首次看到的高置信度发射线。"

有关这一发现的论文发表在7月26日出版的《科学》杂志上。

费米伽马射线太空望远镜使用最高能量的光形式观测宇宙，为研究宇宙中最极端的现象提供了一个重要的窗口，从伽马射线暴和黑洞喷流到脉冲星、超新星遗迹和宇宙射线的起源。图片来源：© Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

当物质与光相互作用时，能量会以特有的方式被吸收和再发射。这些相互作用会使特定的颜色（或能量）变亮或变暗，当光线像彩虹一样散布在光谱中时，就会产生可见的关键特征。这些特征可以揭示大量信息，例如参与相互作用的化学元素。在更高的能量下，光谱特征可以揭示特定的粒子过程，例如物质和反物质湮灭产生伽马射线。

"虽然之前的一些研究已经报告了其他伽玛射线暴中可能存在吸收和发射特征的证据，但随后的仔细研究发现，所有这些都可能只是统计上的波动。我们在 BOAT 中看到的情况则不同，"共同作者、意大利米兰 INAF 布雷拉天文台的 Om Sharan Salafia 说。"我们已经确定，这种特征只是噪音波动的几率小于 5 亿分之一。"

伽玛射线暴是宇宙中最强大的爆炸，会发出大量的伽玛射线，这是一种能量最高的光。最常见的类型是当一颗大质量恒星的内核耗尽燃料、坍缩并形成一个快速旋转的黑洞时发生的。落入黑洞的物质会产生方向相反的粒子喷流，以接近光速的速度穿过恒星的外层。当其中一个喷流几乎直接指向地球时，我们就能探测到GRB。

BOAT的正式名称是GRB 221009A，于2022年10月9日爆发，并迅速使包括费米探测器在内的大部分在轨伽马射线探测器饱和。这使它们无法测量爆炸最强烈的部分。重建的观测数据加上统计论证表明，如果BOAT与之前探测到的伽马射线暴属于同一族群，那么它很可能是一万年来地球天空中出现的最亮的伽马射线暴。

迄今为止记录到的最亮伽马射线暴为科学家们提供了一个新的高能研究对象。了解 NASA 的费米飞行任务看到了什么，以及这一特征可能告诉我们有关爆发的光速喷流的信息。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

这条假定的发射线出现在爆发被探测到将近 5 分钟之后，而且是在爆发变暗到足以结束费米号的饱和效应之后。该发射线至少持续了 40 秒，发射能量达到约 12 MeV（百万电子伏特）的峰值。相比之下，可见光的能量在 2 到 3 电子伏特之间。

那么是什么产生了这种光谱特征呢？研究小组认为，最有可能的来源是电子与其反物质对应物正电子的湮灭。

意大利拉奎拉的格兰萨索科学研究所和格兰萨索国家实验室的戈尔-奥加内斯扬（Gor Oganesyan）说："当电子和正电子碰撞时，它们会发生湮灭，产生一对能量为0.511兆电子伏特的伽马射线。由于我们观察的是物质以接近光速运动的喷流，因此这种发射变得非常蓝移，并被推向更高的能量。"

如果这种解释是正确的，那么要产生峰值为 12 MeV 的发射线，湮灭粒子必须以约 99.9% 的光速向我们移动。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白-海斯（Elizabeth Hays）指出："经过几十年对这些不可思议的宇宙爆炸的研究，我们仍然不了解这些喷流是如何工作的细节。找到像这条非凡的发射线这样的线索将有助于科学家更深入地研究这种极端环境。"

费米伽马射线太空望远镜是由戈达德管理的一个天体物理学和粒子物理学合作项目。费米望远镜是与美国能源部合作开发的，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴也做出了重要贡献。

编译自/scitechdaily