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蟹状星云伽马射线异常爆发:强度提高2到3倍


http://www.sciencehuman.com   科学人  网站 2010-12-12

 

蟹状星云伽马射线异常爆发:强度提高2到3倍

“蟹状星云”的合成照片。照片显示了X射线(浅蓝色)、可见光(绿色和深蓝色)和红外线(红色)

“蟹状星云”的合成照片。照片显示了X射线(浅蓝色)、可见光(绿色和深蓝色)和红外线(红色)

  新浪科技讯 北京时间12月12日消息,天文学家将“蟹状星云”看成是宇宙中最稳定的高能辐射源之一。来自“蟹状星云”的辐射非常稳定以至于天文学家将其作为一种标准来测量宇宙其他能量源的辐射。但是科学家们近日发现,自9月19日起“蟹状星云”伽马射线的辐射强度突然加强2到3倍,呈现猛烈爆发现象。

  1054年,人类首次对这个6500光年外的超新星爆炸残留进行了观测记载。但是,两架太空望远镜近日观测到“蟹状星云”正在猛烈爆发伽马射线,这一发现令科学家们震惊不已。意大利航天局伽马射线轻型探测器望远镜观测到“蟹状星云”的伽马射线强度自9月19日起突然提高2到3倍。费米伽马射线太空望远镜也在同一时间段发现了这种变化。

  科学家们认为,“蟹状星云”的这种能量爆发以及此前稳定的辐射,所有能量可能来源于星云内的脉冲星释放出来的电子风暴。至于这些电子是如何加速到至少10^15电子伏特的能量的,目前科学家们尚未找到答案,他们正在努力研究新的天体物理学加速模型用来解释其过程与原因。

  伽马射线轻型探测器望远镜研究团队成员马科-塔瓦尼于12月6日公布了这一发现。塔瓦尼表示,“发现这种能量爆发,确实很震惊。”事实上,塔瓦尼团队早在2007年秋就已首次注意到“蟹状星云”突然出现一次短暂的伽马射线爆发。不过,当时由于伽马射线轻型探测器望远镜刚刚发射升空不久,因此研究人员并没有相信这一事件。直到2010年伽马射线轻型探测器望远镜再次记录到爆发事件,研究团队才确信并将发现公布于众。塔瓦尼表示,“如果你将一个稳定的能量源比作‘蟹状星云’,那现在的情况发生了变化。”

  费米伽马射线太空望远镜研究团队也于近日声称,他们的发现“对粒子加速理论提出了特别的挑战”。美国国家加速器实验室科学家劳尔夫-布勒尔是费米研究团队成员之一。布勒尔与塔瓦尼等科学家共同探讨了银河系能量辐射的变化源问题。不过,两人都拒绝透露是否已将发现成果提交到《科学》杂志。

  在一个得到普遍接受的模型中,设定的场景适用于任何类型的伽马射线辐射,不管是稳定的还是短暂的。当来自“蟹状星云”中心脉冲星的电子遭遇周围残骸的强大磁场时,电子就会在磁场周围不停地高速旋转,并被加速直到能量足以释放伽马射线。

  但是,近日观测到的“蟹状星云”爆发似乎对这种加速模型提出了质疑。布勒尔认为,爆发的短暂性表明电子还没有加速到足以产生能量辐射的程度。另一个问题是,当电子被加速到极高能量时,星云磁场的强度可能也会比通常估计的要加强3到10倍。短暂的过程表明,伽马射线可能源自星云内部相对较小的一部分。布勒尔指出,脉冲星自身的电场在星云内部加速电子直到能量足以释放出伽马射线。

  波兰国立罗兹大学科学家沃尔登克-贝德纳莱克等人提出了另一种解释。科学家们认为,脉冲星的带电粒子风闯入了星云内部,并挤压星云的磁场。被破坏的磁场就像一根橡皮条一样,在被扭曲和挤压时就会重塑自我。在这个过程中,磁场就会释放出巨大的能量,从而为电子加速提供能量源。

  当研究人员对一些细节问题迷惑不解之时,天文学家们正在尝试精确定位9月的这次爆发究竟源自何处。在公布的可见光和X射线图像中,“蟹状星云”中包含了一个复杂的细丝状和喷射状阵列。在9月爆发事件发生数周后,钱德拉X射线天文望远镜捕捉到“蟹状星云”的一系列图像,这些图像显示,其中一个喷射状图案的基部显得特别明亮。塔瓦尼认为,这一区域或许就是伽马射线爆发源。

  加州大学伯克利分校科学家乔纳森-阿隆斯认为,如果能够破解“蟹状星云”的爆发之谜,或许可以更深入地理解“蟹状星云”脉冲星的性质。阿隆斯表示,“所有这些粒子都来自脉冲星,并在星云中停止。星云就好比是脉冲星的滤污器。研究星云内部事件发生过程将有助于我们在实验室实验中更好地研究脉冲星。”

  阿隆斯认为,这一发现还有助于阐明其他许多天文系统中的物理学现象。这些物理学现象包括黑洞的带电粒子喷射物是如何猛烈撞击周围星际空间的,喷射物中的物质块是如何进行碰撞的等。这种碰撞曾经被认为能够引起宇宙中最强大的爆发。(彬彬)

    [新浪网]

 

 

 

相关知识

蟹状星云简介

  蟹状星云简史

  1054年 中国古代天文学家最早发现天关客星。

  1731年 英国医生、天文爱好者拜维斯发现蟹状星云。

  1758年 梅西叶将蟹状星云排在他所编的星云表第1号,称为M1。

  1850年 罗斯取名“蟹状星云”。

  1910年 兰姆兰德首先注意到“束条”结构。

  1921年 兰姆兰德和邓肯彼此独立地发现蟹状星云在膨胀。

  1928年 哈勃测量出蟹状星云的膨胀速度,由此断定它是中国发现的天关客星的遗迹。

  1948年 射电观测发现它是一个强射电源。

  1953年 史克洛夫斯基提出蟹状星云的射电辐射机制是同步加速辐射,很快被光学偏振观测所证实。

  1957年 射电偏振观测成功。

  1963年 发现蟹状星云是一个X射线源。

  1964年 中心附近发现了一个致密源。

  1968年 发现蟹状星云是一个γ射线源。

  1968年 发现蟹状星云脉冲星NP0532(统一名称PSR 0531+21)。

  1969年 发现NP0532同时是一颗光学脉冲星。

  蟹状星云的基本数据

  位置:赤经5时31分5秒,赤纬21°59′ 银经184°,银纬—6°。说明:在银河系里比太阳离银心更远些,在银道面之下200秒差距。

  距离:1930秒差距或6300光年

  大小:8.8光年×12.8光年。说明:可以并排放下8.6×10000000个太阳或10000个太阳系。

  质量:中心星0.5~1.5个太阳质量,电离气体0.6~3个太阳质量,中性气体(纤维中心)可能1.5~几个太阳质量,总质量2~3个太阳质量或3.98~5.97×10的27次方吨。说明:总质量的可能范围1~10个太阳质量。

  膨胀速度:1450公里/秒。说明:不同人测得的结果有所不同

  蟹状星云天文研究进展

  1921年,美国科学家把两批相隔12年的蟹状星云照片进行了仔细和反复的比较之后,确认星云的椭圆形外壳仍在高速膨胀,速度达到每秒1300千米。1942年,荷兰天文学家奥尔特以其令人信服的论证,确认蟹状星云就是1054年超新星爆发后形成的。

  蟹状星云还是强红外源、紫外源、X射线源和 γ射线源。它的总辐射光度的量级比太阳强几万倍。1968年发现该星云中的射电脉冲星,它的脉冲周期是0.0331秒,为已知脉冲星中周期最短的一个。目前已公认,脉冲星是快速自旋的中子星,有极强的磁性,是超新星爆发时形成的坍缩致密星。蟹状星云脉冲星的质量约为一个太阳质量,其发光气体的质量也约达一个太阳质量,可见该星云爆发前是质量比太阳大若干倍的大天体。星云距离约6300光年,星云大小约12光年×7光年。

  公元1054年7月4日(宋仁宗至和元年五月二十六日)《宋史·天文志》记载:“客星出天关东南可数寸,岁余稍末”;《宋会要》中记载:“嘉佑元年三月,司天监言:‘客星没,客去之兆也’。初,至和元年五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日”。这是关于一颗超新星的记载,它的残骸,就是我们现在看到的蟹状星云。

  1888年出版《星云星团新总表》列为NGC1952,《梅西耶星团星云表》中列第一,代号M1。蟹状星云的名称是英国天文爱好者罗斯命名的。M1是最著名的超新星残骸。这颗位于金牛座的超新星爆发当时估计其绝对星等达到了-6等,[注:绝对星等---假设天体在一个标准距离远处---32.6光年的亮度,太阳的绝对星等为4.8]相当于满月的亮度,它的实际光度比太阳高5亿倍,在白天也能看到,给当时的人们留下了极深刻的印象。不仅如此,它的遗迹星云至今的辐射也比太阳大,射电观测发现它的辐射强度和波长之间的关系不能用黑体辐射定律解释,要发射这样强的无线辐射,它的温度要在50万度以上,对一个扩散的星云来说,这是不可能的,前苏联天文学家什克洛夫斯基1953年提出,蟹状星云的辐射不是由于温度升高产生的,而是由“同步加速辐射”的机制造成的。这个解释已得到证实。蟹状星云中央脉冲星的发现,获得了1974年的“诺贝尔物理奖”,它是1982年前发现的周期最短的脉冲星,只有0.033秒,并且直到现在,能够在所有电磁波段上观察到脉冲现象的只有它和另一颗很难观测的脉冲星。这颗高速自旋的脉冲星证明了30年代对中子星的预言,肯定了一种恒星演化理论:超新星爆发时,气体外壳被抛射出去,形成超新星遗迹,就象蟹状星云,而恒星核心却迅速坍缩,由恒星质量决定它的归宿是颗白矮星或是中子星或是黑洞。中子星内部没有热核反应,但它的能量却又大的惊人,比太阳大几十万倍,这样大的能量消耗,靠的是自转速度的变慢,即动能的减少来补偿,才能符合能量守恒定律。第一个被观测到的自转周期变长的中子星,恰好是M1中的中子星。总之,人类对蟹状星云的研究占了当代天文学研究的很大比重,也的确得到了相当比重的研究成果。

  中国准确记载蟹状星云出示状态——天关客星史实

  中国宋朝司天监对那次爆发作出过观测,史料中有以下记载:

  “己丑,客星出天关之东南可数寸。嘉祐元年三月乃没。”见:李焘,《续资治通鉴长编》(北京:中华书局,2004二版),卷176,页4263。

   《宋史·天文志》:“宋至和元年五月己丑,客星出天关东南可数寸,岁余稍末。”

  《宋史·仁宗本纪》:“嘉祐元年三月辛未,司天监言:自至和元年五月,客星晨出东方,守天关,至是没。”

  《宋会要》:“嘉佑元年三月,司天监言:‘客星没,客去之兆也’。初,至和元年五月,晨出东方,守天关。昼如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”

  总括以上文字,可得知在“宋至和元年五月己丑”(即1054年7月4日)开始,有“客星”出现在天关(即金牛座ζ星)附近,星的颜色是赤白。在最初的23天,即使在白昼,其光度如“太白”(即金星)。直至一年多后的“嘉祐元年三月辛未”(即1056年4月5日)才消失不见。

  这个客星真是一个“不速之客”,来了就不走。在23天的时间里,像太白金星一样亮,白天都可以看到,即所谓“昼见如太白”“凡见二十三日”。客星看不到的日期是1056年4月6日,距离客星出现的日期1054年7月4日已经整整过了643天。在这将近两年的时间里,只要能看到客星。司天监的人员总是坚持不懈地进行观测,他们详细地记录了客星的位置、颜色和亮度变化。这些详细的观测资料虽然大部分已经遗失,但仅是这流传下来的简短记载,已经使后人敬佩不已了。

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