美国国家航空航天局如何追逐和研究明亮的宇宙光点

顺其自然362

天文学家认为长GRB（伽马射线爆发）源于一颗巨大的快速旋转的恒星，当其核心耗尽燃料并坍缩时，在恒星中心形成了一个黑洞。在这位艺术家的概念中，两股喷流从垂死的恒星中出现，并与周围的气体和尘埃相互作用。图片：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

（）据美国宇航局（伊丽莎白·兰道）：2022年10月9日，斯蒂芬·莱萨奇的手机在中场休息后开始震动，当时他正在亚特兰大和一位朋友观看一场足球比赛。当Lesage看到收到的信息时，这场比赛似乎不再重要了。发生了一次罕见的宇宙事件，他需要立即使用电脑。

美国国家航空航天局的费米伽马射线卫星和尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台在太空中发现了异常明亮的信号，并向科学家发出了自动警报。当科学家们协调他们的后续策略时，Lesage团队的费米聊天频道亮起了消息。

“那个小组的每个人都觉得，‘这太疯狂了！谁负责分析这个？阿拉巴马大学亨茨维尔分校的研究生莱塞吉回忆道。“该走了！”

这一不寻常的事件被证明是自文明开始以来X射线和伽马射线能量最强的一次宇宙爆发。天文学家称它为“有史以来最亮的船”莱萨奇领导了一项对费米数据的分析，证明了这艘船到底有多亮。超过150架太空和地球上的望远镜跟进以获得事件的更多细节，包括美国国家航空航天局的IXPE（成像X射线偏振探测器）、哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜，以及欧洲航天局的XMM-Newton望远镜。

宇宙正在变化

这艘船是天文学家称之为时域和多信息天文学的一个例子。“时域”部分指的是宇宙中发生的事件，望远镜可以在它们展开时观察到，例如超新星或两颗中子星的合并。“多信使天文学”是指从宇宙中传递信息的各种“信使”，包括所有形式的光、高能粒子和时空中称为引力波的波纹。

虽然宇宙看起来变化极其缓慢，历经数百万甚至数十亿年，但它的天体居住者有时确实会在几天甚至几分之一秒内产生巨大变化。当中央黑洞吞噬物质时，星系中心变亮。黑洞从附近的恒星中吸取等离子体。恒星爆炸。中子星与黑洞碰撞，中子星与中子星碰撞，黑洞与黑洞合并。即使是遥远的天体碰撞也会发出强大的涟漪，可以被天基和地基望远镜和仪器探测到。这些现象中的许多在下一次可能发生的时间和地点方面都是不可预测的。

美国国家航空航天局有两颗宽视野的“看门狗”卫星，当它们探测到伽马射线突然变亮时会发出警报:费米卫星和雨燕卫星。费米的伽马射线爆发监视器和大面积望远镜以及斯威夫特的爆发警报望远镜是可能最先观察到这些事件的关键仪器。

“当一些冲动的事情发生时，当一些东西爆炸或崩溃时，它们就会触发，”瓦莱丽·康诺顿说，她在华盛顿州美国国家航空航天局总部的天体物理学部门领导高能天体物理学投资组合和时域及多信息天文学倡议。

一旦科学家在他们的电脑和手机上收到警报，他们就可以与其他望远镜合作跟进事件。通过使用各种不同的天基天文台和仪器来研究这些基本上不可预测的闪光，科学家们可以拼凑出他们在通常平静的太空中观察到的“回光返照”的内容、地点、时间和原因。

在比较了众多望远镜对这艘船的观测结果后，科学家们确定这一异常明亮的爆发来自超新星，特别是一颗快速旋转的大质量恒星的核心坍塌。后来，根据美国国家航空航天局“新星”任务的数据，科学家发现爆炸恒星喷射出的物质形状比他们最初想象的更复杂。

“一颗巨星刚刚爆炸，我们开始研究它，弄清楚发生了什么，并对碎片进行逆向工程，然后将其重新组装起来，”莱萨奇说。

时域天文学让我们获得关于宇宙性质、基础物理学本身以及元素起源的基本答案。"

埃里克·伯恩斯


路易斯安那州立大学天体物理学家

新的光明信号

就在这艘船五个月后，科学家们收到了费米发出的关于过去50年中第二亮的伽马射线爆发的警报。这个较新的信号，GRB 230307A，发生在2023年3月，加入了该船的“长”伽马射线爆发类别，持续200秒，而该船为600秒。借助美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外数据，科学家们确定GRB 230307A可能有一个非常不同的起源:距离地球约10亿光年的两颗中子星合并。更重要的是，韦伯探测到了稀有元素碲，这表明中子星合并会产生像这样的重元素。

这个结果仍然困扰着天文学家，比如GRB 230307A论文的合著者、路易斯安那州立大学费米小组成员埃里克·伯恩斯。合并的中子星不应该产生这么长的伽马射线爆发，目前的原子物理学模型也不能完全解释韦伯探测到的中红外波长。他希望韦伯能在未来几年帮助我们更多地了解这类事件。

“时域天文学让我们获得了关于宇宙属性、基础物理学本身以及元素起源的基本答案，”伯恩斯说。



这张来自美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜NIRCam（近红外相机）仪器的图像突出显示了伽马射线暴（GRB）230307 a及其相关的基洛诺瓦星系，以及它以前的主星系，以及它们周围的其他星系和前景恒星。GRB号很可能是由两颗中子星合并而成的。中子星被踢出了它们的主星系，行进了大约12万光年的距离，大约相当于银河系的直径，几亿年后最终合并在一起。图片：美国国家航空航天局、欧空局、加空局、加拿大空间科学研究所、A. Levan（拉德布德大学和华威大学）

众多的信使

与转瞬即逝的宇宙光点有关的宇宙“信使”也有助于科学家重建它们的起源。激光干涉引力波天文台LIGO在2015年首次发现了引力波，表明可以用一种全新的方式观察宇宙，并开创了一个可能使用多个信使研究宇宙中突发现象的新时代。

2017年，科学家们通过将引力波观测与许多不同的地面和天基天文台的数据相结合来研究一种名为GW170817的基洛诺瓦或中子星合并，从而证明了这种潜力。他说，在对这颗基洛诺娃的广泛研究中，伯恩斯和同事利用它首次精确测量了重力速度，“这是对爱因斯坦预测的最后一次重大证实”。

今天，由美国国家科学基金会（NSF）支持的LIGO、欧洲的处女座和日本的KAGRA组成的网络正在寻找引力波事件。



这个动画展示了2017年探测到中子星合并后的九天内发生的事情。首先，一对发光的蓝色中子星迅速相互靠近，并伴随着明亮的闪光融合在一起。合并产生了引力波（显示为向外荡漾的苍白弧线），产生伽马射线的近光速射流（显示为棕色锥体和从碰撞中心爆发的快速移动的洋红色辉光），以及爆炸中心周围不断膨胀的环形蓝色碎片。各种颜色代表了基洛诺瓦产生的光的波长，在碰撞的上方和下方产生了紫色到蓝白色到红色的爆发。在这幅图中，注定要毁灭的中子星旋转着走向灭亡。引力波会消耗轨道能量，导致恒星相互靠近并合并。当它们碰撞时，一些碎片以接近光速的粒子射流爆炸，产生短暂的伽马射线爆发。图片：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

光是唯一一种来自宇宙的“信使”，被探测到的船和伽马射线爆发似乎都产生了碲。在国家科学基金会的支持下，南极附近进行了一项名为“冰立方”的实验，寻找来自与每次事件相同的天空区域的高能中微子，但没有发现任何高能中微子。然而，缺乏观测到的中微子有助于科学家限制这些事件如何展开的可能性。

路易斯安那州立大学的天体物理学家兼助理教授Michela Negro说:“即使你没有探测到，这种多信息方法也很重要。”“这确实有助于排除一些情况，此外，当我们检测到新情况时，它还会告诉我们一些新情况。”

光明的未来

对于正在写关于船的论文的Lesage来说，时域和多信息天文学是一个令人兴奋的研究领域。这艘船本身仍然让他和其他天文学家忙碌着，因为他们正在观察这一极端事件异常明亮的光线所揭示的所有过程。但是更多的瞬时事件肯定会到来，这将使科学家们保持警觉，因为他们用各种各样的望远镜和仪器追赶它们。

“这只是短暂的事件-现在看，否则你会错过它，”莱萨奇说。“尽可能快地寻找。“



该动画捕捉了2017年8月17日探测到的名为GW170817的中子星合并后九天内观察到的现象。它们包括引力波（苍白的弧线）、产生伽马射线的近光速喷流（洋红色）、产生紫外线（紫色）、光学和红外线（蓝白色到红色）发射的基洛诺瓦膨胀碎片，以及一旦喷流从地球扩展到我们的视野中，X射线（蓝色）。图片：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室

在接下来的几年里，美国国家航空航天局将发射新的“观察者”卫星，帮助监测类似这样的突发事件。它们包括几个立方体卫星，这是一类小型化航天器，由边长约4英寸（10厘米）的立方体标准化单元制成:

1.BurstCube于2024年3月发射，用于监测伽马射线信号
2.BlackCat将于2025年发射，用于探测X射线光
3.“星爆”将于2027年发射，用于监测伽马射线信号

国际伙伴关系也涉及这种科学:

1.ULTRASAT（紫外线瞬态天文卫星）是以色列航天局和魏茨曼科学研究所的一颗小型卫星，具有专门研究紫外线的宽视野，美国国家航空航天局作出了贡献。预计2026年发射。

2.欧空局的LISA（激光干涉仪空间天线）任务有美国国家航空航天局的贡献，这将是首次从太空中探测到引力波。预计将于2030年代发射。

此外，具有其他主要目标的美国国家航空航天局望远镜可以帮助寻找这些不寻常的事件:

1.在前往富含金属的小行星Psyche的途中，Psyche有一个伽马射线光谱仪，天文学家可以用它在未来几年内向其目的地巡航时探测伽马射线爆发。

2.WISE以红外波长绘制了天空地图，发现了许多新的遥远物体和宇宙现象。重新使用WISE望远镜的NEOWISE任务调查近地空间中潜在的危险小行星。

3.美国国家航空航天局的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜是一个红外天文台，将揭示长期以来的暗能量之谜并发现数千颗系外行星，该望远镜旨在拥有广阔的天空视野，无疑将拾取瞬态红外信号。该天文台将进行几次调查以寻找这些现象，该任务将支持许多团队研究从变星、黑洞的诞生和活跃星系等相关主题。Roman计划于2027年5月发射，还将提供有关其发现的天空变化的警报。

4.近地天体探测器任务将使用红外探测器扩大对可能对地球构成威胁的小行星和彗星的搜索范围。近地天体探测器拍摄的图像也有望捕捉到更多遥远的背景物体。