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解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?

发布时间:2019-11-30 13:46:53  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:77

      宇宙大爆炸的细节:高能光量子是如何产生的
      2018年7月,在距纳米比亚首都温得和克西南约100公里处的HESS天文台,记录了一次遥远星系中一颗恒星发生爆炸后10小时的伽马射线爆(Gamma Ray Burst, 缩写GRB)的光子,该光子的电子伏特在1000亿至4400亿之间。
      六个月后,即2019年1月,位于拉帕尔玛岛加那利岛的双台MAGIC望远镜发现了另一次爆炸,并捕获了高达1万亿电子伏特的光子。GRB之前的记录保持者是一个具有940亿电子伏特的单光子,该光子是从2013年的一次伽马射线暴中探测到的。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      恒星爆炸揭示了宇宙起源的秘密
      来自遥远星系中恒星发生的爆炸,向宇宙空间发射了两次伽马射线,其中一次撞击了地球。科学家在其中首次发现了高能量的光子。长伽马射线爆发造就了一场"高能粒子这雨",这是宇宙中最强大的爆炸之一,同时,幸运的是,科学家发现了宇宙大爆炸中一个细节,那就是这种高能光子是如何产生的。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      长时间的伽马射线爆发说明在宇宙中其他星系有一颗巨大恒星已经"死亡"。随着爆炸的发生,这颗恒星变成了中子星或者黑洞。另一方面,科学家发现,短暂的GRB往往伴随着中子星的碰撞而产生,例如2017年由重力波探测器"拾取"的信息碎片(序列号:10/16/17)。到目前为止,从长距离辐射的GRB中检测到的能量最强的光子,通常几百万电子伏特,比我们的眼睛"观察"到的光子能量要高大约一百万倍。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      魔术望远镜的发现
      西班牙加那利群岛的双子MAGIC望远镜记录了有史以来从伽马射线爆发,并在其中发现了最有活力的光子,这是美国国家航空航天局(NASA)的斯威夫特(Swift)和费米(Fermi)伽马射线观测站首次发现的,这两个望远镜在合成插图中漂浮在天空中。
      有科学家认为,理论预测显示,伽马射线暴中应该存在"非常高能的光子",但这种高能的光量子是怎么产生的尚不确定" 。这些理论对GRB爆炸中的磁场,电子和环境光如何在碎片中相互作用以产生伽马射线提供了不同的解释。为检验这些想法,数年来科学家一直在寻找超高能伽马射线。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      这个最近的发现,成功地讲述了GRB光子是如何获得如此强大能量的故事。具体过程是这样的爆炸产生的冲击波将电子加速到接近光速,并产生磁场。电子在磁场线周围鞭打,并发射出相对较低能量的光子。这些光子,以及从其他星系经过的其他光子,随后通过跳飞并从这些快速电子中窃取能量而获得功率提升。这是最后一步,称为逆康普顿散射,它使某些GRB光子具有极高的能量。
      有科学家表示,这个光子获能的基本理论是20多年前提出的,但苦于一直没有证据支持,本次观测结果能够发现高能光量子实在是一个值得庆祝的事情。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      两次GRB爆炸的相对距离有助于发现高能光量子。为什么呢?比如2018年爆发的光花了大约60亿年才能到达地球; 2019年的爆炸大约需要45亿年。尽管这两个爆炸都距离银河系较远,但它们与其他典型的GRB相比距离反而近得多。
      GRB剖析
      在一颗恒星爆炸之后,冲击波猛烈撞击周围的气体并加速了电子,这反过来又泵出了非常高能量的伽马射线,这是最新的发现。爆炸还会发出电磁波谱中的波长的光。极端的光子揭示了GRB的一些有意思的"隐私"。为了使康普顿逆散射起作用,低能光子需要碰到电子的几率很高。科学家认为,这说明在爆炸的周围存在着致密的传递介质,否则光量子是不会被加速获得如此高的能量。
      这么说来,天文学家一直低估GRB可以包装多少光子的体积。GRB会在整个电磁频谱(从无线电波到伽马射线)中发出光,并且2019年的爆发向它的极端伽马射线光子中泵入的能量与其向其更多的X射线中注入的能量一样多。这将GRB的总能量提高了大约三分之一,这已经可以与太阳整个生命周期内的全部能量输出相提并论了。
    解读宇宙大爆炸,高能光子是如何产生的?
      结语
      宇宙大爆炸是一个神秘的事件,如果人类能够探究其隐藏的奥秘,将对我们认识宇宙和宇宙规则产生较大的推动作用。也许,大爆炸并不神秘,我们看到的世界仅仅是"九牛一毛",更多的发现等着我们去探索。