被尘埃埋没的宇宙巨大爆发

伤我心太深

借助欧洲南方天文台（ESO）阿塔卡玛大型毫米/亚毫米射电阵列（ALMA），我们首次绘制出宇宙中最大的爆发——γ线暴（GRB）所在宿主星系的气体分子和尘埃的分布情况。完全出乎意料的是，气体分子比预期的更少，相应的尘埃则比预期的多得多，这就使得某些γ线暴变成了“暗γ线暴”。研究报告刊登在2014.6.12出版的《自然》上，这是ALMA对GRB的首个研报。它展示了ALMA对我们研究γ线暴所具有的潜能。

在尘埃云中爆发的GRB示意图。版权：ESO，研究者团队，下同。

GRB是位于遥远星系中极高能量的超强爆发——自宇宙大爆炸以来，最亮的爆发现象。爆发延续时间超过2秒的称为长γ线暴（LGRB），与大质量恒星演化末期核心坍缩（为黑洞）导致的超新星爆发相关。

短短十几秒到几十秒时间内，GRB所释放的能量与太阳在其100亿年中所释放的能量相当。GRB通常有相对能量较低的辐射跟随——余辉，它是GRB爆发时抛出的极高能粒子与周围星际气体相撞产生的。

然而，某些神秘的γ线暴看起来没有余辉相伴——它们因此被称为暗γ线暴（dark GRB）。一种可能的解释是尘埃云遮蔽了余辉辐射。

在最近几年，科学家通过探索γ线暴所在的宿主星系，以更多地了解GRB是如何形成的。天文学家预测，GRB的前身星是大质量恒星，它们应该位于这些星系活跃的恒星诞生区，因此该区域有大量的气体分子——形成恒星的原料。但是，长期以来一直没有观测数据支持这个假说，这个问题因此成谜。

气体尘埃云中的GRB示意图，GRB的中心喷流宽度仅约1°，极窄。

由日本国立天文台的Bunyo Hatsukade领导的日本天文学家团队，首次使用ALMA探测了两个暗γ线暴所在宿主星系的气体分子的射电辐射。它们分别是GRB 020819B，离我们约43亿光年；GRB 051022，约69亿光年（数字代表日期，当日有多个GRB的，以ABCD……区分先后，译注）。虽然此前并未探测到两个宿主星系的射电辐射，但ALMA以其空前的高灵敏度做到了。

研究团队成员、东京大学的河野太郎（Kotaro Kohno）介绍说：“ 十年来，我们使用全球各种各样的望远镜搜寻γ线暴宿主星系的气体分子（辐射）。作为我们艰辛努力的成果，我们最终使用强大的ALMA取得了非凡的突破。对此我们感到极为兴奋！”

另一个卓越成就是ALMA的高分辨率使得它能够揭示宿主星系中气体和尘埃的分布情况。观测显示GRB 020819B所在的宿主星系外围密布尘埃，而气体分子仅在星系的核心出现。这是我们首次看到了一个GRB宿主星系的气体尘埃分布（注3）。

Hatsukade补充道：“我们未曾料到GRB会出现在一个富含尘埃而缺少气体的星系环境中。它表明该γ线暴发生在明显迥异于（通常）恒星诞生区的场所中。”这也意味着，大质量恒星在死于GRB之前，已经改变了它们所在的恒星孕育区的环境。

GB 020819B所在的宿主星系，十字标出GRB的所在。左图是ALMA获得的气体分布（主要是CO等），中间是ALMA获得的尘埃分布（C、Si、Fe等），显然GRB所在区域尘埃密度特别高；右图是星系的光学图像。

研究团队相信，GRB所在区域的尘埃/气体比明显过高，可能肇因于它们对紫外辐射的反应明显不同。因为气体分子键极易被紫外线破坏，它们无法在大质量炽热恒星的剧烈紫外辐射下存在，即使那里是恒星诞生区。其中的一个区域，后来就发生了观测到的GRB爆发。虽然类似的分布也在GRB 051022所在的宿主星系存在，但由于它离地球的距离明显地远过GRB 020819B，使得有足够分辨率的图像无法获得，因此尚缺乏观测铁证。无论如何，ALMA的观测为尘埃遮蔽余辉导致暗γ线暴的假说提供了支持。

Hatsukade总结道：“观测结果超过了我们的预期。我们需要进一步的观测以确定那些宿主星系中GRB所在的区域是否普遍存在这样富含尘埃而缺少气体的环境。随着ALMA观测能力的提升，我们有望在未来取得更多成果。”

研究报告刊登在2014.6.12出版的《自然》杂志上，标题：“两个位于缺少气体分子的尘埃云中的γ线暴。”

附注

1、观测到的GRB中，70%属于长γ线暴，它们的持续时间超过2秒。近十年来的观测还发现另外一类的GRB，它们称为短γ线暴，持续时间都低于2秒（甚至低于0.5s，译注），它们与超新星或极超新星无关，是两颗中子星合并时产生的（形成黑洞）。

2、报告中的ALMA观测灵敏度比其他同类射电阵列高4倍以上。从2011年起，由部分ALMA天线组成的阵列就开始了先期观测。先期观测阵列由24-27架天线组成，综合孔径仅为125米。由66架天线组成的完整阵列已经完成，未来将极大地提升ALMA的观测能力，通过天线的不同组合，综合孔径可以从150米延伸到16千米。

3、银河系和近邻星系的星际介质中，尘埃质量约为气体质量的1%；但在GRB 020819B周围的区域，该比例甚至超过了10%。

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