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2014-06-16 被濃密塵埃掩蓋真相的暗黑GRB

 
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Observations of the host galaxy for GRB 020819B. Radio measurements of molecular gas (left) and dust (middle), both of which are observed with ALMA. An image in visible-light captured by the Frederick C. Gillett Gemini North Telescope (right). The cross indicates the location of the GRB site.Credit: Bunyo Hatsukade(NAOJ), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)  伽瑪射線爆發(gamma-ray bursts,GRBs)是宇宙裡規模最強、最明亮的爆發現象。天文學家藉由阿卡塔馬大型毫米/次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)進行觀測,首度直接繪製GRBs所在的宿主星系(host galaxies)內的分子氣體和塵埃的分佈狀況。在此觀測研究過程中,卻意外發現觀測到的宿主星系所含氣體比預期的還少,反倒是塵埃比預期的多,這使得一些GRBs呈現「暗黑GRBs(dark GRBs)」狀態。

  GRBs因爆發釋出極高能量,典型GRB短短數秒時間內所釋出的能量相當於太陽在它整個100億年生命中釋出的所有能量,這使得它即使發生在遙遠星系中,也能觀察到這個爆發現象。爆發時間持續2秒以上的稱為延時伽瑪射線爆發( long-duration gamma-ray bursts,LGRBs),這類GRBs佔了所有已知GRBs的70%左右,通常與大質量恆星演化到生命末期而發生的超新星爆炸有關,且爆發之後,通常會跟隨發生所謂的餘輝(afterglow),這可能是爆發時向外拋出的物質撞擊到周遭氣體物質而產生的輻射。

  然而,有些GRBs相當奇特,居然沒有伴隨發生餘輝現象,這類爆發稱為暗黑爆發(dark bursts)。有個可能的解釋,認為是因為周圍有塵埃雲吸收了餘輝輻射的緣故。

  科學家近年一直試圖通過觀察宿主星系來瞭解GRBs的形成過程。天文學家一般認為大質量恆星是GRB的前身,大質量恆星又多半誕生在這些星系裡活躍的恆星形成區中,這類活躍恆星形成區周圍通常含有大量分子氣體,而這些分子氣體就是製作恆星的原料。然而,以前從未有實際觀測證據來證實這個想法。

  日本國立天文台(National Astronomical Observatory of Japan)Bunyo Hatsukade領導的研究小組藉由位在智利的ALMA電波陣列,首度偵測到2個暗黑LGRBs的分子氣體發出的電波輻射,分別為距離約43億光年遠的GRB 020819B和69億光年遠的GRB 051022。雖然天文學家以前在GRB宿主星系中尋找並偵測這種電波輻射已經10年了,但從未偵測過;這回倚仗著ALMA絕佳的靈敏性,這才讓這些天文學家終於得以獲得這樣的成果。

  另一個靠著ALMA高解析度而達成的成果,是能呈現出GRB宿主星系裡的分子氣體與塵埃分佈的狀況。GRB 020819B觀測結果顯示在宿主星系外圍區域很明顯的是個塵埃非常豐富的環境,而分子氣體則僅分佈在宿主星系中心區域附近。這是天文學家第一次取得GRB宿主星系中這麼詳細的氣體分子和塵埃的分佈情況,如頁首右方影像,最左側為氣體分佈狀況,中間為塵埃分佈狀況,最右則為Frederick C. Gillett以雙子南天文台拍攝的可見光影像;三幅影像中上方的紅色十字標示的是GRB 020819B所在位置。

  天文學家以前並不認為GRB會發生在分子氣體相對於塵埃的比例這麼低的環境中。但新觀測結果卻顯示GRB仍然可以在這樣的環境中發生,換言之,能發生GRB的環境顯然與典型的恆星形成區截然不同。由此可知,最後以GRB結束一生的大質量恆星,在它死亡之前,就已經將它周圍的恆星形成區環境予以改造過了。

  Hatsukade等人認為有個可能的解釋,就是分子氣體和塵埃對紫外光的化學反應不同。原子彼此間透過化學鍵結而形成分子,這種鍵結很容易被紫外光破壞,所以在包括那些後來可能發生GRB的恆星形成區環境中,暴露在熾熱大質量恆星所發出的強烈紫外光下的分子氣體很難維持分子狀態。

  雖然GRB 051022似乎也有相同的氣體分子和塵埃分佈狀況,但因為這個GRB的距離更遠,空間解析度不若GRB 020819B那麼高,所以這些天文學家們並不確定GRB 051022的狀況是否與GRB 020819B完全相同。不過在這兩個案例中,ALMA觀測結果都支持塵埃會吸收GRB餘輝輻射而形成暗黑GRB的假設。但為落實這個說法為真,Hatsukade等人計畫未來要進行更多的GRB宿主星系環境的研究。

資料來源:http://www.eso.org/public/news/eso1418/, 2014.06.11, KLC

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