NASA的费米望远镜发现了迄今为止最亮的伽马射线暴的新特征
2022年10月，天文学家迅速被称为BOAT的有史以来最亮的伽马射线暴（GRB）震惊了。现在，一个国际科学团队报告称，来自NASA的费米伽马射线太空望远镜的数据显示出一个前所未见的特征。
中子星碰撞
Two neutron stars begin to merge in this illustration, blasting a jet of high-speed particles and producing a cloud of debris. These gamma-ray bursts (GRBs) are the most powerful events in the universe. Scientists think these kinds of events are factories for a significant portion of the universe’s heavy elements, including gold. They based their estimates on the rate of short burst GRBs thought to occur across the cosmos, but a Dec. 11, 2021, discovery showed they’ll need to factor long bursts into their calculations as well. For the last few decades, astronomers have generally divided GRBs into two categories. Long bursts emit gamma rays for two seconds or more and originate from the formation of dense objects like black holes in the centers of…
NASA的任务研究万年一遇的伽马射线爆发
2022年10月9日，周日，一股强烈的辐射脉冲席卷了太阳系，天文学家很快就把它称为BOAT——有史以来最明亮的辐射。其源头是伽马射线爆（GRB），这是宇宙中最强大的一类爆炸。
NASA的费米探测器首次从蜘蛛系统探测到伽马射线日食
科学家利用NASA费米伽马射线太空望远镜的数据，首次发现了来自一种特殊类型双星系统的伽马射线日食。这些所谓的蜘蛛系统中，每一个都包含一颗脉冲星——一颗在超新星中爆炸的恒星的超高密度、快速旋转的残骸——它会慢慢侵蚀它的伴星。 一个国际科学家团队通过费米望远镜的十多年观测，找到了七只经历日食的蜘蛛系统，从我们的角度来看，当低质量伴星经过脉冲星前时，就会发生日食。这些数据使他们能够计算出蜘蛛系统相对于我们视线和其他信息的倾斜程度。 “研究蜘蛛系统最重要的目标之一是尝试测量脉冲星的质量。”领导这项工作的德国汉诺威马克斯普朗克引力物理研究所天体物理学家科林·克拉克说。“脉冲星基本上是我们所能测量到的密度最大的物质球体。它们所能达到的最大质量限制了这些极端环境中的物理现象，这在地球上是无法复制的。” 有关这项研究的论文发表在1月26日的《自然天文学》杂志上。 在这张图中，一颗绕轨道运行的恒星开始遮蔽它的伴星，一颗快速旋转的超高密度恒星残骸，被称为脉冲星。脉冲星发出多波长光束，旋转进出视野，并产生外流，加热恒星的正面，吹走物质并侵蚀其伴星。 影像来源：NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnet 蜘蛛系统的发展是因为双星中的一颗恒星比它的另一颗恒星进化得更快。当质量更大的恒星变成超新星时，就会留下一颗脉冲星。这颗恒星残骸发出包括伽马射线在内的多波长光束，这些光束在我们的视野中进进出出，产生的脉冲如此规律，足以媲美原子钟的精度。 在早期，蜘蛛脉冲星通过吸走一股气体流来“喂养”它的伴星。随着系统的发展，当脉冲星开始更快地旋转时，供给停止，产生粒子外流和辐射，使伴星的正面过热并侵蚀它。 科学家将蜘蛛系统分为两种类型，以蜘蛛种类命名，其雌性有时会吃掉较小的配偶。黑寡妇蜘蛛系统中的伴星质量不到太阳质量的5%。红背蜘蛛系统中有更大的伴星，无论是大小还是质量，重量都在太阳的10%到50%之间。 “在费米项目之前，我们只知道少数几个发出伽马射线的脉冲星。”NASA马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白·海斯说。“经过十多年的观察，该任务已经确定了300多个，并收集了一个长期的、几乎不间断的数据集，使社区能够进行开创性的科学研究。” 研究人员可以通过测量蜘蛛系统的轨道运动来计算它们的质量。可见光观测可以测量伴星的速度，而无线电测量可以揭示脉冲星的速度。然而，这些变化依赖于朝向和远离我们的运动。对于一个几乎面对面的系统来说，这样的变化是十分微小，并且可能会令人困惑。从侧面看，同样的信号也可以由一个更小、更慢的轨道系统产生。了解蜘蛛系统相对于视线的倾角对测量质量至关重要。 倾斜角度通常使用可见光测量，但这些测量会带来一些潜在的复杂性。当伴星环绕脉冲星运行时，其过热的一面会出现在视野之外，从而造成可见光的波动，这种波动取决于倾斜程度。然而，天文学家仍在研究过热过程，具有不同加热模式的模型有时会预测不同的脉冲星质量。 然而，伽马射线仅由脉冲星产生，能量巨大，它们沿直线传播，不受碎片的影响，除非被伴星阻挡。如果伽马射线从蜘蛛系统的数据集中消失，科学家可以推断伴星遮蔽了脉冲星。从那里，他们可以计算出系统进入我们视线的倾角、恒星的速度和脉冲星的质量。 PSR B1957+20，简称B1957，是1988年发现的第一个已知的黑寡妇蜘蛛系统。该系统的早期模型是根据可见光观测建立，确定它向我们的视线倾角约65度，脉冲星的质量是太阳的2.4倍。这将使B1957成为已知最重的脉冲星，跨越了脉冲星和黑洞之间的理论质量极限。 通过研究费米望远镜的数据，克拉克和他的团队发现了15个缺失的伽马射线光子。来自这些物体的伽马射线脉冲的时间是如此可靠，以至于10年内丢失15个光子足以让研究小组确定该系统正在发生日食。然后他们计算出双星倾斜84度，脉冲星的重量只有太阳的1.8倍。 “人们正在寻找巨大的脉冲星，而这些蜘蛛系统被认为是找到它们的最佳途径之一。”这篇新论文的合著者、华盛顿美国海军研究实验室的研究物理学家马修·科尔表示。“它们经历了从伴星到脉冲星的一个非常极端的质量转移过程。一旦我们真的对这些模型进行了微调，我们就能确定这些蜘蛛系统是否比脉冲星的其他部分质量更大。” 费米伽马射线太空望远镜是由戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作项目。费米项目是与美国能源部合作开发，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-fermi-detects-first-gamma-ray-eclipses-from-spider-star-systems
NASA的雨燕、费米任务探测到异常的宇宙爆炸
10月9日，星期日，一股异常明亮、持续时间长的高能辐射脉冲席卷地球，世界各地的天文学家都为之着迷。这种辐射来自于伽马射线爆发（GRB），这是宇宙中最强大的一类爆炸，是已知最明亮的事件之一。 东部时间周日上午，一波X射线和伽马射线穿过太阳系，触发了NASA费米伽马射线太空望远镜、尼尔·格雷尔斯雨燕天文台、Wind航天器以及其他探测器。世界各地的望远镜转向该地点研究余波，新的观测仍在继续。 雨燕的X射线望远镜在首次探测到GRB 221009A大约一小时后捕捉到了它的余辉。明亮的光环是X射线从位于爆炸方向的银河系内无法观测的尘埃层散射而形成。 影像来源：NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester) 被称为GRB 221009A的爆炸为第10届费米研讨会提供了一个意想不到的令人兴奋的开端，该研讨会是一次伽马射线天文学家的聚会，目前正在南非的约翰内斯堡举行。“可以肯定地说，这次会议真的是以一声巨响拉开了序幕，每个人都在谈论这个问题。”参加会议的NASA戈达德太空飞行中心费米项目副科学家朱迪·拉库辛说。 根据费米大区域望远镜（LAT）的数据构建的序列，显示了以GRB 221009A位置为中心的伽马射线天空。每一帧显示能量大于1亿电子伏特（MeV）的伽马射线，颜色越亮表示伽马射线信号越强。它们总共代表了超过10个小时的观测。来自我们银河系中平面的辉光呈现为一条宽的对角线带。图像的大约横跨天空20度。 图片来源：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration 该信号来自天箭座方向，经过估计19亿年才到达地球。天文学家认为，这代表了一个新黑洞的诞生，这个黑洞形成于一颗在自身重力下坍缩的大质量恒星的中心。在这种情况下，一个新生的黑洞驱动着接近光速的强大粒子喷流。这些喷流穿过恒星，向太空发射X射线和伽马射线。 雨燕的紫外/光学望远镜在可见光下拍摄的图像显示了GRB 221009A的余辉如何在大约10小时的过程中消退。这次爆炸出现在射手座，发生在19亿年前。图像直径约为4弧分。 影像来源：NASA/Swift/B. Cenko 这次爆发还为国际空间站上的两项实验——NASA的NICER X射线望远镜和日本的全太天X射线图像监测器（MAXI）——之间的联系提供了一个期待已久的首次观测机会。该连接于4月启动，被称为轨道高能监测警报网络（OHMAN）。它使NICER能够迅速转向MAXI探测到的爆发，这些操作以前需要地面科学家的干预。 “OHMAN提供了一个自动警报，使NICER能够在望远镜探测到放射源后三小时内进行跟踪。”戈达德NICER科学负责人扎文·阿佐马尼安表示。“未来的响应时间可能缩短至几分钟。” 这一古老爆炸的光带来了对恒星坍缩、黑洞的诞生、接近光速的物质的行为和相互作用、遥远星系的条件等问题的新见解。另一个如此明亮的GRB可能几十年内都不会出现。 据初步分析，费米大区域望远镜（LAT）探测到这次爆发长达10个多小时。爆发如此明亮和持久的一个原因是，对于GRB来说，它离我们相对较近。 “这次爆发比典型的GRB要近得多，这令人兴奋，因为它让我们能够探测到许多细节，否则这些细节会太微弱而无法探测。”费米LAT合作组织成员罗伯塔·皮莱拉说，他领导了关于爆发的初步交流，也是意大利巴里理工大学的博士生。“但不管距离远近，它也是有史以来见过的最有活力和最明亮的爆发之一，这都让人倍感兴奋。” 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-swift-fermi-missions-detect-exceptional-cosmic-blast
费米证实恒星残骸是极端宇宙粒子的来源
天文学家长期以来一直在寻找银河系中能量最高的质子的发射地点。现在，一项研究使用了NASA费米伽玛射线太空望远镜12年的数据，证实了一个超新星遗迹就是这样的地方。 探索天文学家如何找到超新星遗迹，该遗迹发射的质子能量是地球上最强大的粒子加速器的10倍。 影像来源：NASA戈达德航天飞行中心 费米已经证明，爆炸恒星的冲击波将粒子提升到与光速相当的速度。这些粒子被称为宇宙射线，主要以质子的形式存在，但也可以包括原子核和电子。因为它们都带有电荷，所以当它们在我们银河系的磁场中快速移动时，它们的路径变得混乱。由于我们无法再分辨它们来自哪个方向，这就掩盖了它们的出生地。但当这些粒子与超新星残骸附近的星际气体碰撞时，它们会产生一种伽马射线——这是能量最高的光。 “理论家们认为银河系中能量最高的宇宙线质子能达到100亿电子伏，或者PeV能量。”麦迪逊威斯康星大学物理学助理教授方柯（Ke Fang）说。“它们的来源，也就是我们所说的拍电子伏特宇宙线加速器（PeVatrons），其确切性质一直难以确定。” 这些粒子被混沌磁场困住，反复穿越超新星的冲击波，每次穿越都会获得速度和能量。最终，超新星残骸再也抓不住它们，它们飞快地飞向星际空间。 PeV质子的能量大约是世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机的10倍，即将完全逃离银河系。 天文学家已经确认了一些可疑的PeVatron，其中一个位于我们银河系的中心。自然地，超新星遗迹是候选名单中的首选。然而，在大约300个已知遗迹中，只有少数被发现会发射足够高能量的伽马射线。 一个特别的恒星残骸引起了伽马射线天文学家的极大关注。它被称为G106.3+2.7，是一个彗星状的云，位于约2,600光年之外的仙王座。一颗明亮的脉冲星覆盖在超新星遗迹的北端，天文学家认为这两个天体是在同一次爆炸中形成的。 费米的主要仪器——大面积望远镜，从残骸的延伸尾部内探测到了十亿电子伏（GeV）伽马射线。（相比之下，可见光的能量大约为2到3GeV之间。）亚利桑那州南部弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台的高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）记录了来自同一区域的更高能量伽马射线。墨西哥的高海拔水切伦科夫伽马射线天文台和中国的西藏AS-γ实验阵列都从费米和VERITAS探测的区域探测到了能量为100万亿电子伏（TeV）的光子。 该序列比较了三个能量范围内的费米结果。脉冲星J2229+6114是超新星遗迹G106.3+2.7（用绿色标出）北端顶部的明亮光源。在每个能量范围内，序列首先显示伽马射线的数量，然后与背景模型的预期值进行比较。较亮的颜色表示伽马射线数量较多或过量。在最高能量下，当超新星冲击波加速的质子撞击附近的气体云时，产生了一种新的伽马射线源。 影像来源：NASA/Fermi/Fang et al. 2022 “这个物体已经引起了人们相当大的兴趣一段时间了，但要把它冠以PeVatron的称号，我们必须证明它在加速质子。”华盛顿美国天主教大学和马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天飞行中心的合著者亨利克·弗莱施哈克解释道。“问题在于，加速到几百电子伏的电子可以产生相同的辐射。现在，借助费米12年的数据，我们认为我们已经证明G106.3+2.7确实是一个PeVatron。” 方柯领导的一篇论文详细阐述了这一发现，发表在8月10日的《物理评论快报》上。 脉冲星J2229+6114在自转时会在灯塔状的信标中发出自己的伽马射线，而这种辉光以几GeV的能量在该区域占据主导地位，这种辐射大部分发生在脉冲星自转的前半段。该团队通过只分析来自周期后期的伽马射线，有效地屏蔽了来自脉冲星的辐射。低于10GeV时，残余物尾部没有明显的辐射。 在这个能量之上，脉冲星的干扰可以忽略不计，额外的来源变得很明显。该团队的详细分析压倒性地支持PeV质子是驱动伽马射线发射的粒子。 “到目前为止，G106.3+2.7是独一无二的，但它可能是新的超新星遗迹群中最亮的一员，这些超新星遗迹发射的伽马射线达到了TeV能量。”方指出。“费米天文台和超高能伽马射线天文台未来的观测可能会揭示更多的信息。” NASA探索宇宙奥秘——这个特殊的谜题需要十多年的前沿观测才能解决。 费米伽马射线太空望远镜是由戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作项目。费米是与美国能源部合作开发，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-fermi-confirms-star-wreck-as-source-of-extreme-cosmic-particles
天文望远镜联合对著名黑洞进行前所未有的观测
Credits: NASA/GSFC/SVS/M.Subbarao & NASA/CXC/SAO/A.Jubett 2019年4月，科学家们使用事件视界望远镜(EHT)发布了第一张M87星系黑洞的图像。然而，这一非凡的成就仅仅是科学故事的开始。 来自19个天文台的数据即将公布，这些数据有望让人们对这个黑洞及其驱动的系统有前所未有的了解，并改善对爱因斯坦广义相对论的检验。 “我们知道，第一张黑洞的直接图像将是突破性的，”日本国家天文台(National Astronomical Observatory of Japan)的哈达和弘(Kazuhiro Hada)说，他是一项新研究的合著者，该研究发表在《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters)上，描述了这一庞大的数据集。“但为了从这张非凡的图像中获得最大的效果，我们需要通过对整个电磁波谱的观测，了解黑洞当时的一切行为。” 超大质量黑洞的巨大引力可以为粒子的喷射提供能量，这些粒子以几乎光速的速度穿越遥远的距离。M87的喷射流产生的光横跨整个电磁波谱，从无线电波到可见光再到伽马射线。这一光谱的光的强度为每个黑洞提供了不同的模式。识别这种模式可以对黑洞的属性（例如，它的自旋和能量输出）提供至关重要的洞察力，但这是一个挑战，因为模式会随着时时间而改变。 科学家们用世界上最强大的地面和太空望远镜来协调观测，收集来自整个光谱的光，以弥补这种变化。这是迄今为止对带有喷射流的超大质量黑洞进行的最大的同步观测活动。 参与此次观测活动的NASA望远镜包括钱德拉X射线天文台、哈勃太空望远镜、尼尔·盖尔·斯威夫特天文台、核光谱望远镜阵列（NuSTAR）和费米伽马射线太空望远镜。 从EHT现在标志性的M87图像开始，一段新的视频将带领观众体验每个望远镜的数据之旅。这段视频显示了许多10倍尺度的数据，包括光的波长和物理大小。（数据在2017年4月获得）。然后，它通过来自全球各地的其他射电望远镜阵列的图像，在每一步中向外移动视野。(方块宽度的比例在右下角以光年表示)。接下来，视野将变为探测可见光（哈勃和斯威夫特）、紫外光（斯威夫特）和X射线（钱德拉和NuSTAR）的望远镜。屏幕拆分显示了这些同时覆盖相同面积天空的图像之间的比较情况。画面最后显示了地面上的伽马射线望远镜和太空中的费米从这个黑洞及其喷射流中探测到的情况。 每台望远镜都能提供有关M87中心这个65亿太阳质量黑洞的行为和影响的不同信息，该黑洞距离地球约5500万光年。 “有多个小组正在紧锣密鼓地研究他们的模型是否与这些丰富的观测数据相匹配，我们很高兴看到整个社会都在使用这个公共数据集来帮助我们更好地理解黑洞和它们的喷射流之间的深层联系。”加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的合著者达里尔·哈格德（Daryl Haggard）说。 这些数据是由来自32个国家或地区的近200个机构的760名科学家和工程师组成的团队，利用全球各地的机构和机构资助的天文台收集。观测时间集中在2017年3月底至4月中旬。 这些数据是由一个由来自32个国家或地区近200个机构的760名科学家和工程师组成的团队收集的，他们使用的天文台由全球各机构资助。观测集中在2017年3月底至4月中旬。 “这组令人难以置信的观测结果包括许多世界上最好的望远镜，”共同作者马来西亚吉隆坡马来亚大学的胡安·卡洛斯·阿尔加巴（Juan Carlos Algaba）说。“这是全世界天文学家为追求科学而共同努力的一个精彩例子。” 第一个结果显示，M87超大质量黑洞周围物质产生的电磁辐射强度是迄今为止所见过的最低的。这为从接近视界的区域到数万光年之外的区域研究黑洞提供了理想的条件。 这些望远镜的数据和当前(以及未来)的EHT观测数据的结合，将使科学家们能够对一些最重要、最具挑战性的天体物理学研究领域进行重要的研究。例如，科学家计划利用这些数据改善对爱因斯坦广义相对论的检验。目前，这些测试的主要障碍是不确定围绕黑洞旋转的物质是否会被喷射出去，特别是确定发射光的特性。 今天的研究解决的一个相关问题涉及被称为宇宙射线的高能粒子的来源，这些粒子不断地从外太空轰击地球。它们的能量可以比地球上最强大的加速器——大型强子对撞机所能产生的能量高出一百万倍。从黑洞发射的巨大喷射流，就像今天的图像中显示的那样，被认为是最高能量宇宙射线的最可能来源，但关于细节还有很多问题，包括粒子被加速的精确位置。因为宇宙射线通过其碰撞产生光，所以最高能量的伽马射线可以精确地确定这个位置，新的研究表明，这些伽马射线很可能不会在事件视界附近产生——至少不会在2017年产生。解决这一争论的关键是将其与2018年的观测结果以及本周收集的新数据进行比较。 “理解粒子加速度对于我们理解EHT图像和喷射流的所有‘颜色’至关重要，”来自阿姆斯特丹大学的合著者塞拉·马尔柯夫说。“这些喷射流设法将黑洞释放的能量输送到比宿主星系更大的尺度，就像一根巨大的电源线。我们的结果将帮助我们计算所携带的能量，以及黑洞喷射流对环境的影响。 这个新的数据宝库的发布恰逢EHT的2021年观测活动，这是自2018年以来首次利用全球范围内的无线电天线阵列进行观测。去年的活动因为COVID-19大流行而被取消，前一年则因为不可预见的技术问题而暂停。就在本周，EHT天文学家又将目标锁定在我们银河系（被称为人马座A*）的超大质量黑洞M87上，连同几个更遥远的黑洞一起进行了6个夜晚的观测。与2017年相比，该阵列得到了改进，增加了三台射电望远镜：格陵兰望远镜、亚利桑那州的基特峰12米望远镜和法国的北方扩展毫米阵列(NOEMA)。 “随着这些数据的发布，再加上观测的恢复和改进的EHT，我们知道许多令人兴奋的新结果即将出现，”耶鲁大学的合著者米斯拉夫·巴洛科维奇（Mislav Baloković） 说。 描述这些结果的《天体物理杂志通讯》可以在这里获取。 参考来源： https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/telescopes-unite-in-unprecedented-observations-of-famous-black-hole.html