▲在伽马射线暴（GRB 161219B）喷流中穿行的“反向激波”的艺术想象图。图片版权：Credit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
眨眼之间，20亿光年之外的一颗大质量恒星在与引力的对抗（已进行了100万年）中败下阵来并坍缩，触发了超新星爆发，在其中心形成了一个黑洞。这个新生的黑洞喷出了一个稍纵即逝但却异常强烈的朝向地球的伽马射线闪光——伽马射线暴（GRB）。2016年12月19日，美国宇航局的Neil Gehrels Swift卫星探测到了这一现象。
虽然爆发产生的伽马射线在7秒后就消失了，但来自这次爆发的波长更长的光——包括X射线、可见光和射电波——持续了数周。阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的独特能力使得一组天文学家能够把这一爆发的研究拓展到毫米波段，从而获得对这一伽马射线暴以及其强大喷流的尺度和成分的新认知。
▲ ALMA的含时影像显示了一个强大伽马射线暴的“余晖”。这些毫米波段的图像揭示了伽马射线暴喷流能量的细节。图片版权： Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Laskar; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
“因为ALMA看到的是毫米波长的光，这些光携带了喷流如何与周围的尘埃和气体相互作用的信息，所以这是对这些剧烈的宇宙爆发进行探测的有力手段，”发表于《天体物理杂志》上的这项研究的第一作者、加州大学伯克利分校的天文学家、美国国立射电天文台的央斯基博士后学者坦莫伊﹒拉斯卡说。
这些观测使天文学家得以制作了ALMA史上第一部宇宙爆发的延时影像，这一影像揭示了穿过喷流的爆发回波产生的持久的反向激波。“根据我们目前对伽马射线暴的理解，我们通常预期反向激波只会持续数秒。而这个反向激波持续了差不多一整天。”拉斯卡说。物质从伽马射线暴喷流喷出到周围气体中时会产生反向激波。这一遭遇减慢了外逸的物质，将一个激波送回喷流中。因为预计喷流持续不超过数秒，一个反向激波也应该同样短暂。但是现在看来不是这么回事。
“数十年来，天文学家认为这个反向激波会产生明亮的可见光闪光，尽管经过了仔细的搜寻，但这在目前还很难找到。我们的ALMA观测表明我们可能一直在错误的地方寻找，而毫米波观测是我们找到这些宇宙‘烟花’最大的希望，”文章合作者、巴斯大学的卡罗尔﹒孟德尔说。
相反，在大约一天的时标上，来自反向激波的光在毫米波段最亮，这就是之前难以探测的最可能的原因。尽管早期的毫米波是反向激波产生的，但X射线和可见光来自喷流前端的冲击波（blast wave）。
“这一事件的独特之处在于，”拉斯卡补充说，“当反向激波进入喷流时，它缓慢而持续地把喷流的能量转变为向前移动的冲击波，导致X射线和可见光变暗的速度比预期慢得多。天文学家一直困惑于冲击波中的这些多余能量的来源。多亏了ALMA，我们知道了这些能量——在GRB 161219B的情形，多达85%的总能量——隐藏在喷流自身的慢速运动的物质中。”
“我们的快速响应观测突出了ALMA在暂现源后续观测、揭示能量来源以及用来获得第一代恒星产生时宇宙的物理状态中的关键作用，”拉斯卡总结说。“特别地，我们的研究表明，ALMA的超高灵敏度和新的快速响应能力使得它成为唯一能常规探测反向激波的设备，使得我们能探测这些高能瞬变源中相对论性喷流以及驱动它们的中心引擎的性质。”
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编译：钱磊 审稿：三水 责编：张梦
期刊来源：《天体物理杂志》
期刊编号：0004-637X
原文链接：
https://scitechdaily.com/astronomers-study-enduring-radio-rebound-from-gamma-ray-burst-161219b/
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