美国国家航空航天局宇宙飞船揭露了横扫太阳系的高能爆炸-附近星系的磁星爆发

磁星闪耀

科学家认为,作为GRB 200415A的巨型耀斑开始于磁场磁场的突然重排,可能由一颗星。这种变化产生了一种快速,强大的X射线脉冲和伽马射线(洋红色)。该事件还喷射了一大堆的电子和正弦,以大约99%的光速行驶。信用:美国宇航局的戈达德太空飞行中心/克里斯史密斯(USRA / Gestar)

2020年4月15日,一股短暂的高能光席卷了太阳系,触发了几台仪器美国国家航空航天局和欧洲航天器。现在,多个国际科学团队得出结论,爆炸来自一个被称为位于邻近星系的磁铁的超级磁化的恒星残留。

这一发现证实了长期以来的怀疑,即一些伽玛射线爆发(GRBs)——几乎每天都在天空中检测到的宇宙爆发——实际上是来自地球相对较近的磁星的强大耀斑。


2020年4月15日,一股x射线和伽马射线脉冲席卷了太阳系,持续时间仅为140毫秒。这是一颗磁星的巨大耀斑,磁星是一种城市大小的恒星残骸,拥有已知的最强磁场。观看视频了解更多信息。来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

“这一直被认为是一种可能性,自2005年以来观测到的几次伽马射线暴提供了诱人的证据,”凯文·赫尔利(Kevin Hurley)说,他是美国太空科学实验室(Space Sciences Laboratory)的高级研究员加州大学伯克利分校在美国天文学会的第237届虚拟会议上,他和几位科学家一起讨论了这次爆发。“4月15日的事件是一个游戏规则的改变者,因为我们发现,几乎可以肯定的是,爆炸位于附近的星系NGC 253的圆盘内。”

分析该事件不同方面及其影响的论文发表在期刊上自然自然天文学

GRBS是宇宙中最强大的爆炸,可以在数十亿光年中检测到。当一对轨道中子恒星 - 爆炸恒星的碎裂的残余时,持续低于大约两秒钟的人发生了持续的少于两秒钟 - 突然裂缝 - 彼此螺旋并合并。天文学家证实了这个场景至少在2017年有一些短的伽马暴,在伽马暴到来后爆发引力波-时空涟漪-中子星在1.3亿光年之外合并时产生。

磁石是中子恒星,具有最强的磁场,典型中子恒星强度高达一千次,冰箱磁铁的强度高达10万亿倍。对磁场的适度扰动可能导致磁石爆发零星X射线爆发周或更长时间

磁星很少会产生巨大的喷发,称为巨大耀斑,产生伽马射线,这是光的最高能量形式。

29颗磁星中的大多数现在都在我们的银河系星系偶尔会有x射线活动,但只有两个星系产生了巨大的耀斑。最近的一次是在2004年12月27日探测到的,尽管它是从距离地球28000光年的一颗磁星上喷发出来的,但它仍对地球上层大气产生了可测量的变化。

美国东部时间2020年4月15日凌晨4点42分前不久,一股短暂而强大的x射线和伽马射线爆发扫过火星, triggering the Russian High Energy Neutron Detector aboard NASA’s Mars Odyssey spacecraft, which has been orbiting the Red Planet since 2001. About 6.6 minutes later, the burst triggered the Russian Konus instrument aboard NASA’s Wind satellite, which orbits a point between Earth and the Sun located about 930,000 miles (1.5 million kilometers) away. After another 4.5 seconds, the radiation passed Earth, triggering instruments on NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope, as well as on the European Space Agency’s INTEGRAL satellite and Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) aboard the International Space Station.

爆发发生在美国宇航局的尼尔Gehrels Swift天文台上的爆破警报望远镜(BAT)的视野之外,因此其板载计算机没有提醒天文学家。但是,由于新的能力,称为伽马射线新机遇紧急档案(鸟粪)在美国,Swift团队可以在其他卫星触发脉冲时发回蝙蝠数据。对这些数据的分析提供了对事件的进一步了解。

辐射脉冲只持续了140毫秒,快到眨眼或弹手指的速度。

ngc253探测器地图

作为GRB 200415A编目的巨型耀斑,在不同的时间达到不同的美国国家航空航天队航天器上的探测器。每个乐器对在天空的不同条件下建立了它的可能位置,但乐队在明亮的螺旋星系NGC 253中的中央部分。这是为远足我们的银河系的磁场建立的最精确的位置。信贷:美国宇航局的戈达德太空飞行中心和亚当座/山上的亚洲山脉/亚利桑那大学

费米,Swift,Wind,Mars Odyssey和Integral任务都参与了称为行星际网络(IPN)的GRB定位系统。现在由费米项目资助,自20世纪70年代后期使用不同的航天器在整个太阳系中使用的不同航天器进行了经营。因为信号在不同时间达到每个探测器,所以任何一对都可以帮助缩小天空中的突发位置。航天器之间的距离越大,技术的精确度越好。

IPN放置4月15日的爆炸被称为GRB 200415A,正好位于NGC 253的中心区域,NGC 253是一个明亮的螺旋星系,位于雕刻家星座1140万光年之外。这是迄今为止所确定的磁星在天空中最精确的位置大麦哲伦星云它是银河系的一颗卫星,在1979年首次探测到巨大的耀斑。

来自银河系磁星及其卫星的巨大耀斑以一种截然不同的方式演化,它的亮度迅速上升到峰值,然后是一个更缓慢的波动发射尾巴。这些变化是由磁星的旋转造成的,它反复地将耀斑的位置从地球的视野中带进带出,就像一座灯塔。

观察这个波动的尾巴是巨大耀斑的确凿证据。然而,从数百万光年远的地方看,这种辐射太暗,用今天的仪器无法探测到。由于这些特征消失了,在我们银河系附近的巨大耀斑可能被伪装成更遥远、更强大的合并型grb。

一个详细的分析领导这项研究的阿拉巴马州亨茨维尔大学空间研究协会科学技术研究所的副科学家奥利弗·罗伯茨指出,费米的伽马射线爆发监测器(GBM)和斯威夫特的蝙蝠提供了强有力的证据,表明4月15日的事件不同于任何与合并有关的爆发。

特别是,这是自费2008年推出以来发布的第一个巨大的耀斑,而GBM能够在微秒计时的改变的能力证明是至关重要的。观察结果揭示了多个脉冲,第一个脉冲仅在77微秒内出现 - 相机闪光速度的约13倍,比并排的最快GRB的升高速度快到100倍。GBM还在从未观察过以前从未观察过的耀斑过程中的能量快速变化。

罗伯茨说:“我们星系内的巨型耀斑是如此耀眼,以至于它们淹没了我们的仪器,让它们保留着自己的秘密。”“GRB 200415A和类似的遥远耀斑首次使我们的仪器能够捕捉到每一个特征,并在无与伦比的深度探索这些强大的爆发。”

人们对巨型耀斑知之甚少,但天文学家认为它们是磁场突然重新排列的结果。一种可能性是,高过磁星表面的磁场可能会变得太扭曲,当它稳定到一个更稳定的结构时,突然释放能量。另一种可能是,磁星外壳的机械故障——星震——可能触发突然的重新配置。

罗伯茨和他的同事表示,这些数据显示了火山爆发期间地震震动的一些证据。费米的GBM记录到的最高能量的x射线达到了300万电子伏(MeV),大约是蓝光能量的100万倍,这本身就是巨大耀斑的记录。研究人员说,这种发射是由以99%光速运动的喷射电子和正电子组成的云团引起的。发射的短暂时间及其不断变化的亮度和能量反映了磁星的旋转,就像汽车转弯时的前灯一样上下移动。罗伯茨把它描述为一个不透明的团——他把它描绘成“星际迷航”系列中的光子鱼雷——随着它的移动而膨胀和扩散。

鱼雷也是此次冬奥会最大的意外之一。费米望远镜的主要仪器——大面积望远镜(LAT)也探测到了三种伽马射线,它们的能量为480兆电子伏、13亿电子伏和1.7兆电子伏——这是迄今为止从磁星巨型耀斑中探测到的最高能量的光。令人惊讶的是,这些伽马射线在耀斑消失很久之后才出现在其他仪器上。

加州斯坦福大学(Stanford University)的高级研究科学家尼古拉·奥莫迪(Nicola Omodei)领导的LAT团队对这些伽马射线进行了研究,这些射线是在大地震发生后19秒到4.7分钟之间到达地球的。科学家们得出结论,这个信号很可能来自磁星耀斑。他解释说:“要让LAT在天空的同一区域探测到一个随机的短GRB,而且几乎与耀斑同时出现,我们平均需要等待至少600万年。”

磁石产生了一个快速运动粒子的稳定流出。当它在太空中移动时,这些流出物会冲入星际气体,使之变慢,并转移星际气体。气体堆积起来,被加热和压缩,并形成一种称为弓形激波的冲击波。

在LAT小组提出的模型中在美国,耀斑最初的伽玛射线脉冲以光速向外传播,随后是喷射物质云,其移动速度接近光速。几天后,它们都到达了弓形激波。伽马射线通过。几秒钟后,粒子云——现在膨胀成一个巨大的薄壳——在弓形激波中与累积的气体相撞。这种相互作用产生了加速粒子的冲击波,在主爆发后产生最高能量的伽马射线。

4月15日的耀斑证明了这些事件本身就是grb。位于巴吞鲁日的路易斯安那州立大学的物理学和天文学助理教授埃里克·伯恩斯(Eric Burns)领导了一项研究,利用来自多个任务的数据调查额外的可疑分子。这项发现将发表在《天体物理学杂志通讯》上。2005年在M81星系附近爆发仙女座星系(M31)在2007年就已经被认为是巨大的耀斑,该团队还发现了一个耀斑M83.这种情况也出现在2007年,但最近才有报道。再加上1979年的巨大耀斑,以及1998年和2004年在银河系观测到的耀斑。

“这是一个小样本,但我们现在对它们的真正能量有了更好的了解,以及我们可以探测到它们多远,”伯恩斯说。“有百分之几的短grb可能真的是磁星巨星耀斑。事实上,它们可能是我们迄今为止探测到的银河系以外最常见的高能爆发,大约是超新星爆发的5倍。”

宇宙飞船探测到附近星系的巨大耀斑更多关于这项研究的信息。

引用:

“A bright γ-ray flare interpreted as a giant magnetar flare in NGC 253” by D. Svinkin, D. Frederiks, K. Hurley, R. Aptekar, S. Golenetskii, A. Lysenko, A. V. Ridnaia, A. Tsvetkova, M. Ulanov, T. L. Cline, I. Mitrofanov, D. Golovin, A. Kozyrev, M. Litvak, A. Sanin, A. Goldstein, M. S. Briggs, C. Wilson-Hodge, A. von Kienlin, X.-L. Zhang, A. Rau, V. Savchenko, E. Bozzo, C. Ferrigno, P. Ubertini, A. Bazzano, J. C. Rodi, S. Barthelmy, J. Cummings, H. Krimm, D. M. Palmer, W. Boynton, C. W. Fellows, K. P. Harshman, H. Enos and R. Starr, 13 January 2021,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 03076 - 9

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DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 03077 - 8

“来自雕刻家星系的磁星巨型耀斑的高能辐射”,由Fermi-LAT合作,2021年1月13日,自然天文学
DOI: 10.1038 / s41550 - 020 - 01287 - 8

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