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东亚VLBI网观测高能伽马暴190114C的余辉辐射

Science China Press

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IMAGE: 类风介质(Wind)和均一介质(ISM)模型下,本次实验结果所限定的参数空间 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

伽马射线暴(Gamma-Ray Burst; GRB),简称伽马暴,产生于遥远的星系中,是宇宙中最亮的天体事件。关于伽马暴的物理起源有很多未解之谜,其中,两个主流的模型认为伽马暴是大质量恒星塌缩或者是双星系统碰撞合并产生的。GRB的持续时间很短,从零点几秒到几千秒不等,捕获GRB爆发在当今观测技术条件下仍非常困难。在伽马暴之后,爆发所喷出的物质会与星际环境中的气体发生碰撞和相互作用产生激波,并形成缓慢消散的余辉(Afterglow),在几乎整个电磁波谱发射电磁辐射。对余辉的多波段后随观测为研究GRB前身星和暴前星周介质提供了难得的机会,余辉的持续时间通常较长,已经观测到的最长余辉在X射线波段持续时间达到6个月,且余辉的时间会随着观测波长的增加而变长。

甚长基线干涉(VLBI)观测技术是人类迄今为止所能达到的最高分辨率的观测手段。由于伽马暴距离地球十分遥远且通常发生在恒星大小的尺度,VLBI因此成为对GRB余辉的结构和结构变化进行成像的为数不多的技术之一。利用VLBI射电网的观测,科学家们能够精确测量余辉中射电激波的尺寸、速度和强度,从而对理论模型给出强有力的约束。例如,在对著名的双中子星并合事件GW170817的研究中,尽管有多波段的大量观测,但依然无法区分两个喷流模型:成功冲出星周包层的结构化喷射、被包层束缚住的窒息喷流。正是VLBI观测解开了这一谜团,给出了结构化喷流的明确证据。

GRB190114C在已经发现的伽马暴中是一例极其特殊的存在。它是首个被地面切伦科夫望远镜探测到具有高能余辉(>100 GeV)的伽马暴源,因此对于研究极高能伽马暴的能源机制具有重要的研究价值。在爆发后的2日内,多个波段(X射线、光学、射电)的望远镜均探测到了余辉,射电波段的余辉亮度在几个mJy左右。它还是少数几例在全部电磁波段均有观测的伽马暴。

上海天文台安涛研究员牵头的国际团队在发现伽马暴190114C之后的第一时间,即以最快的速度协调东亚VLBI网的望远镜时间,得以在爆发后的第6、15、和32天完成了对目标源的三次观测。该团队经过对三次观测数据的反复仔细分析,在目标源对应的天区中,均没有发现高于5倍背景噪声的信号源,因此可以得出结论,在三次观测对应的灵敏度条件下,没有探测到GRB190114C。从观测中可以估算出GRB190114C在三个观测时间的射电亮度上限,以此为标尺对理论模型的参数空间进行检验和限制。

根据当前的主流学说以及广泛接受的GRB模型,该团队的研究人员考虑了在两种不同密度分布的星际介质【类风介质(图1左)和均一介质(图1右)】模型下,考虑不同的磁场能量与电子能量的比例,得出不同爆发能量对应的星际介质密度和磁场能量密度分布,通过与观测数据的对比,可以得出合理的参数空间范围。图二直观地显示了当前已发表的理论模型所表征的余辉光变曲线和实际观测数据(三个黄点)的对比,可以看出,观测数据与大多数理论模型有很好的一致性,在一定程度上肯定了其理论模型的合理性。

值得一提的是,这是东亚VLBI网首次对暂现源进行观测研究。为了探测伽马暴在射电波段的微弱信号,东亚VLBI网首次采用了相位参考技术来提高观测灵敏度。这次实验不仅对伽马暴GRB190114C的多波段协同观测和理论模型研究做出贡献,也代表着东亚VLBI网在微弱射电源以及暂现源的观测研究上迈出了第一步。

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了解研究详情请读原文:

题目:East Asia VLBI Network observations of the TeV Gamma-Ray Burst 190114C

作者:Tao An, Om Sharan Salafia, Yingkang Zhang, Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Kazuhiro Hada, Giulia Migliori, Monica Orienti, Bong WonSohn

出版信息:Science Bulletin, doi: 10.1016/j.scib.2019.11.012

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319306553

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