伽马射线暴

太阳一秒钟释放多少能量？

它可以被人类使用数十万年。

自从宇宙诞生以来，

有一种天体事件可以在一秒钟内释放出太阳一生的总能量。

这是最猛烈的天体爆炸——

伽马射线暴（英文：gamma-rayburst，简称GRB）

北京时间2022年12月8日，南京大学天文与空间科学学院张彬彬领导的研究团队在国际顶级科学期刊上发表论文《具有奇特起源的长持续时间伽马射线暴》 “自然”。 研究小组发现了一例具有特殊观测意义的伽马射线爆发GRB 211211A。 通过详细的数据分析，他们获得了这次长伽马射线暴与千新星相关的证据，并初步提出了这一事件背后的原因。 特殊的物理起源表明它的祖星可能是中子星-白矮星并合系统。 该论文第一作者为南京大学天文与空间科学学院博士生杨军。

伽马射线暴

伽马射线爆发是从宇宙深处突然增强并迅速衰减的伽马射线辐射爆发。 自1967年首次被人类发现以来，已经观测到近万个伽马射线暴样本。 通过对这些大样本的统计发现，伽马暴的持续时间涵盖了从几毫秒到数千秒的范围，其分布呈现出以两秒为界的显着双峰结构。 因此，伽马射线爆发分为短爆发和长爆发，典型的持续时间分别约为0.5秒和25秒。

长爆发和短爆发的物理起源一直是天文学家争论的焦点。 长期以来，天文学家推断两者有着完全不同的物理起源：长爆发是大质量恒星演化到核心塌陷最后阶段的产物，并伴有超新星爆炸；长爆发是大质量恒星演化到核心塌陷最后阶段的产物； 短爆发起源于致密双星的合并（即中子星-中子星，或中子星-黑洞合并），并伴随着称为千新星的热瞬变。 上述观点也得到了恒星演化和能量机制理论的支持。 例如，对于由吸积驱动的GRB“中央引擎”，其持续时间本质上可以由祖星吸积物质的密度决定。 这个密度决定了吸积过程的持续时间，而吸积过程的持续时间又可以与伽玛暴的持续时间（即伽玛暴“中央引擎”的活动时间）相关。 根据这一关系，可以推断大质量恒星和中子星密度对应的吸积时间正好与长短爆发的典型持续时间相吻合。 在观测方面，天文学家花了几十年的时间才确认了长爆发和短爆发的物理起源。 虽然在1990年代末期，天文学家已经在长伽玛暴的光学余辉中发现了超新星爆炸的特征谱线，证实了长伽马暴核心塌缩的起源，但直到2017年8月17日，天文学家才进行了双重联合探测。中子星并合引力波事件GW170817和短爆发GRB 170817A的研究正式建立了短爆发与双中子星并合之间的关联，同时证实了尾随千新星的存在。 到目前为止，伽马射线暴的两个物理起源，特别是短爆发和千新星之间的联系似乎已经解决。

GRB 211211A

但在已知中发现未知、在常规中发现特例、在模型中引领创新一直是天文研究者的基础学科，尤其是“行为风格”。 对伽马射线暴特殊物理起源的研究也不例外。 南京大学张彬彬教授研究团队多年来致力于伽马暴产生机制和物理起源研究，取得了许多突破性成果。 近年来，通过引力波伽马射线暴（Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Communications）、三重态伽马射线爆发（Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Astronomy），通过对源自塌缩星的短伽马射线爆发等特殊伽马射线暴事件的研究（Zhang, B.-B.等人，2021，自然天文学），团队不断推进人们对特殊物理起源和物理性质的认识。伽马射线暴认知的分类。 近日，该团队在《自然》杂志上发表的论文揭示了一次具有特殊物理起源的长伽马射线暴事件，进一步证明了伽马射线暴起源的多样性，凸显了“特殊”这个关键词在基础科学中的重要性。发现独特的魅力。

这一特殊的伽马射线暴事件被指定为GRB 211211A。 它的独特之处在于，虽然它是一个很长的GGR，但它与千新星有明显的相关性。 研究团队首先对其瞬时辐射数据进行了详细分析，发现其光变曲线由13秒的主爆发阶段和55秒的扩展辐射阶段组成（图1）。 其扩展辐射特性与以往的“尾部辐射”显着不同，呈现出显着的高能辐射，能谱的峰值能量远高于硬X射线的能量范围。 这意味着人们不能像以前那样通过“冰山效应”将其解读为本质上的短爆发，而只能肯定地将其归类为长爆发。 然而，这起伽玛暴的其他瞬时辐射特征、宿主星系的特征以及超新星的缺失，都与典型的长伽玛暴的特征不一致，但却与致密恒星合并产生的短伽玛暴高度一致。 南京大学张彬彬研究团队通过多波段观测数据发现了千新星辐射存在的证据（图2），从而最终确认了GRB 211211A的并合起源。 这是首次发现源于致密星合并的长伽马射线暴，其喷发时间比典型的短爆发时间长得多，也是首次发现源于长爆发的千新星。

GRB 211211A 独特的观测特征挑战了科学家对祖星系统和伽马射线暴中央引擎模型的理解。 首先，超新星的缺失可以直接排除这次爆发源自大质量恒星核心塌缩的可能性； 其次，主爆发阶段的13秒持续时间超过了统计上短爆发持续时间的上限（9秒），而理论上中子星-中子星/黑洞合并提供的中央引擎吸积时间尺度也很难达到这么长时间。 研究小组进一步指出，现有的祖星模型都无法解释这次爆发的独特观测特征。 因此，为了解释这个持续时间，研究人员不得不提出新的祖星模型，祖星系统必须包含密度低于中子星的致密天体，才能满足中央发动机的吸积时间尺度达到几十秒的要求。 此外，该系统还必须产生足够的中子物质来支持千新星的产生。 综合以上分析，新的祖星系统已经显而易见，那就是白矮星-中子星并合系统。 研究小组认为，白矮星与中子星的合并产生了一颗快速旋转、高度磁化的中子星，称为磁星。 磁星的旋转和磁能驱动55秒的延长辐射和数千秒的X射线平台辐射，并为千新星提供额外的能量注入。 研究团队首次提出这一解法来解释GRB 211211A，并指出它可以自洽且与所有观测到的风暴特征完全一致。 未来的低频引力波探测器有望证实这种祖星系统的存在。 图3生动地展示了上述模型产生的这种特殊的伽马射线暴。

该成果以南京大学为第一作者和第一通讯单位，于北京时间2022年12月8日发表在《自然》杂志上。 南京大学天文与空间科学学院博士生杨军为该文章的第一作者。 南京大学张彬彬教授和内华达大学张兵教授为该论文的通讯作者。 参与模型构建和数据分析的主要合作者包括美国内华达大学拉斯维加斯分校博士生艾顺科、南京大学天文与空间科学学院张彬彬课题组研究生刘子科、王南洋理工大学物理学院博士生翔宇、博士生杨雨涵以及研究团队成员尹一涵本科生。 中国科学院紫金山天文台李晔博士和广西大学物质科学与工程技术学院卢厚军教授共同参与了此项研究工作。 该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国空间站工程、江苏省自然科学基金、江苏省双创创业计划的支持省、国家“双一流”建设资金。

文章链接：

[1]：杨军，艾顺科，张斌斌，张兵等，具有特殊起源的长持续时间伽马射线爆发，2022，自然，

图 1. GRB 211211A 的光变曲线

图片来源：杨军、艾顺科、张斌斌、张兵等，2022，Nature，

图2 GRB 211211A的多波段观测及其模型拟合

图片来源：杨军、艾顺科、张斌斌、张兵等。 2022.自然。

图3 GRB 211211A的艺术想象

图片制作：南京大学艺术学院雷涵宇、陈静

科学指导与创造力：李子涵、杨军，南京大学天文与空间科学学院，艾顺科，内华达大学拉斯维加斯分校