伽玛暴的毫米和亚毫米波观测

伤我心太深

今年晚些时候，坐落在智利Atacama沙漠中的亚毫米波望远镜阵列ALMA将正式开始科研运转。在这之前少不了对早先观测的总结，比如最近de Ugarte Postigo等人投稿的文章，其中综述了ALMA之前在毫米/亚毫米波段对伽玛射线暴进行的观测。
除了让覆盖波段更完整，在毫米/亚毫米波观测伽玛暴还有什么优势？文中列举如下：

- 覆盖爆发余辉的同步辐射峰频；
- 捕捉早期余辉的反向激波辐射；
- 不受星际消光影响，有望探测高红移的光学暗暴；
- 不受星际闪烁影响，可以进行更准确的观测；
- 不受同步辐射自吸收的影响，因此不会出现流量突降，可以保证探测率

除了以上这些，还有一点文中没有特别指出的是，爆发在光学/红外波段的余辉经红移改正后可能正好落在毫米/亚毫米波段。由此，在这一波段进行观测对于高红移暴的研究来说是不可或缺的。
亚毫米波虽然好处多多，但是却会被地球大气中的水蒸气会严重吸收，因此相关望远镜必须安置在干燥的高海拔山顶，这无疑增大了建设难度。再加上仪器灵敏度（也许还有反应时间）受限，这导致现有的伽玛暴亚毫米波确切探测屈指可数（总数不足20）。目前亚毫米波观测主要是由以下仪器完成的：夏威夷Mauna Kea山顶詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）的SCUBA、同样位于Mauna Kea的亚毫米波天线阵SMA，还有ALMA预研机APEX装备的LABOCA；而毫米波主力包括布雷高原干涉仪（PdBI）、CARMA阵列还有IRAM 30米天线。

几架亚毫米波望远镜，JCMT（上左，图片提供：JCMT）、APEX（上右，图片提供：APEX Web Team）以及SMA（下，图片提供：Smithsonian Astrophysical Observatory）

这其中SCUBA应该算是先驱者，最早的尝试可以追溯到GRB 970508，不过那次只是试验性质，只曝光了30分钟，而且当时天气不佳，并没有真正接收到爆发的余辉。确切的探测直到翌年3月底才出现。不过SCUBA的探测背景噪声普遍很大，更不巧的是它在Swift卫星发射后不久就退役了，新的仪器又没有及时跟进，因此很长时间时间内伽玛暴的亚毫米波观测处于青黄不接状态。毫米波观测的历史比亚毫米波略长，数据也更多，最早的观测是针对GRB 970111，不过第一次确切的探测是GRB 970508。
APEX和SMA则是后起之秀了，这两台仪器分别在2009年和2010年才正式亮相于伽玛暴观测，相关项目正是由本文开头提到的论文作者所在小组主持。它们一共对10余个爆发进行了余辉搜索，其中有两次确切的探测。
那么亚毫米波段的伽玛暴余辉是什么样子的？以下是一张样图：

GRB 100418A发生后的5天之内SMA观测到的亚毫米波余辉演化（图片来源：de Ugarte Postigo et al. 2011）

不过具体到某一子波段的光变就比较复杂了，每个暴都各个不同。根据通行的火球理论，余辉辐射的峰值频率是随着时间推移从高频向低频演化的，因此各个波段应该有相似的行为，只是时间上有所差异，高频波段应该最先出现流量高峰。但是现在有完整毫米/亚毫米波观测的爆发非常少，所以系统的追踪峰频变化依然很困难，各波段探测时间与爆发时刻的平均间隔也并不是随着频率的减少严格增加的（当然，这里并没有考虑各暴持续时间的差异，不过对于余辉研究这似乎差异也不大）。
整体来看，现有的伽玛暴毫米/亚毫米波余辉流量平均值是在每秒每赫兹1032尔格上下，有探测的爆发分布范围很广，红移从不到0.2一直到8.2皆有，分布形式也大体与Swift的观测吻合（尤其是在低红移区），不过平均红移偏低，这可能与仪器的选择效应有关。

伽玛暴数量随红移的分布，红色表示Swift卫星的探测，蓝色表示毫米/亚毫米波余辉探测（图片来源：de Ugarte Postigo et al. 2011）

de Ugarte Postigo等人的论文还将毫米/亚毫米波段的观测与X射线进行了比较。由于X射线数据比较完整，所以一律采用爆发半天之后10 keV能段上的流量；而毫米/亚毫米波不确定性很大，文中只是利用现有的不充分数据估算出了峰值流量的近似值。毫无悬念的是，爆发余辉在这两个波段上的流量成正相关，不过二者谱指数不同：X射线平均为-1，而毫米/亚毫米波段为-0.75。
除了爆发本身，宿主星系也是伽玛暴亚毫米波观测的重要内容，但是目前也只有4个确切探测，除了邻近的GRB 980425之外，其他都集中在红移1附近。这一点也存在颇多争议，尤其是针对光学暗暴，因为暗暴一般被解释为爆发于富尘埃环境，而富尘埃的星系理应具有较高的亚毫米波辐射；而仅有的确切探测又说明这几个星系的尘埃数量并不少。实际情况很可能是星系的尘埃辐射捉摸莫测，以现有的认识，还很难根据光学特性来推测星系在亚毫米波段的表现。
除了尘埃，毫米/亚毫米波段还存在大量分子谱线，但是限于条件当前并无相关研究。由于ALMA具有空前的灵敏度，它可能为这个问题连带尘埃辐射带来一些线索。

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