Wednesday, August 30, 2006

一些可能出新想法的地方

030999504:

GRBs from alternating-current jets

由于MRI(磁旋转不稳定性)导致环向磁场极性随机反转,典型的反转时标由磁场放大到动力学重要性的水平的时标决定。具有反转磁场特征的Poyting流主导的喷流提供了一个通过重新连接的自然而有效的途径来驱散能量。GRBs发生在空间分离重联端。在该模型中,伴生的同步辐射能被高度极化并且能够产生平滑和尖锐的光变曲线。我们注意到,作为热力学不稳定性的结果,可能在重联区产生一个冷而致密的纤维。由于对同步辐射的无束缚吸收,可能被用来解释非常硬的X射线谱的产生。

Paczynski1993)提出GRBs可能产生于高速旋转的大质量的极端相对论喷流。The jets are powered by energy extracted electromagnetically from a rotating accretion disc and/or black hole. A bulk of the jet energy is dissipated and re-radiated in the form of GRBs, at distances 10^13~10^14cm from the core.

The dissipated energy is assumed to be converted efficiently to relativistic electrons, which in turn produce Gamma rays by the synchrotron mechanism.

04-05年的一些想法,现在贴在这里

要多看Physics Report Science, Nature, PRL, PR, ApJ上的文章

要多写, 写总结, 写最新进展, 写具体物理过程和推导

Astro-ph/9911401 P7

研究MC过程对BZ过程的影响,通过影响吸积。在文50836.web.pdf HKLee中最后一段“MC可能会约束黑洞和盘的旋转”。

van Putten2001Phys. Rep. 345, 1-59)的讨论中,提到了从盘上出磁风(magnetic wind)的概念,这是与BP过程相关的;我估计磁风就是甩带电粒子出去的过程,它应该与Poynting矢量是两回事。

GRBs的模型趋于统一,主要包括两大类:NSNSNSBH合并模型;大质量恒星的SNe。不管是哪一种,都会形成黑洞-吸积盘系统。现在关心的是二者形成的黑洞质量范围各是多少?盘的大小如何?

van Putten 0212297中讨论了tilt magntic的模型,我们可以试图讨论斜面磁场的作用

van Putten盘上引力辐射,中微子辐射的问题

HKLeePhys. Rep., 325,2000, 83-114)中讨论了Gap区产生正负电子对的问题,在van Putten2001Phys. Rep. 345, 1-59)中也有讨论,

van Putten2001Phys. Rep. 345, 1-59)中讨论GRBs时标双模的问题,通过MC过程助长或者抑制吸积来解释的模型,在0403123中有关于双模的详细讨论。0010440 van Putten

Hyper- and suspended-accretion states of rotating black holes and the durations of gamma-ray bursts

van Putten2001Phys. Rep. 345, 1-59)中讨论MC过程导致盘内区物质溢出的模型

关于BZ过程beam的研究

Uzdensky以及Li LX(假设环向电流)讨论的磁场位型

T_90的问题

50836.web.pdf HKLee最后一段

讨论旋转对磁通的影响

9908248中讨论用BZ+DL解释GRB/SN

9807028Hyper-Accreting Black Holes and Gamma-Ray Bursts

研究GRB中的辐射现象

0208304, P7:Blandford & Spruit(Blandford and H. Spruit, in preparation 2000)的工作表明,黑洞的旋转能通过MC转移到盘是通过一种振荡的形式发生的

New ideas

Discuss the beam effect with CEBZMC.

Ref ps0109429 P12

ps0112219 P3:

ps0212297 P33:

ps0102282 P21:

ps0307058: putten beam

Discuss the Torque insider and outside the co-rotating radius on the disk.

Consider the accretion bring by the T_(MC).


9808191&9903211

通过BZ过程解释GRB的光变曲线,作者是通过盘的进动来解释复杂的光变曲线,描写为三个特征:指数的升起;高平坦区;硬衰减。

04.11.30: 通过BZ过程的螺旋不稳定性解释伽玛暴的复杂的光变曲线(from talking with Ma R.Y.)

04.12.02: 对于大质量恒星塌缩形成的裸黑洞, 磁场最多只能在黑洞停留1000s, 可以用其中的BZ过程解释伽玛暴. (from Ma R. Y.)

04.12.15: 由炮弹模型和X-ray flare想到的: X-ray flare是由磁重联引起, 我们也可以想象, BZ过程中螺旋不稳定性的磁重联?也可以产生炮弹, 从而解释复杂的光变曲线.

有文献也给出X-ray flare的持续时间是62-520s, 那么X-ray flareX-ray flash之间的关系到底是什么?(proposed by Wang)

X-ray flareX-ray flash, X-ray burst, GRB是不是都能统一起来?

Piranastro-ph/0405503文中提到:

. Time Scales: The variability time scale, δt, is at times as short as 1ms. The overall duration (of long GRBs), T, is of the order of 50sec. According to the internal shocks model these time scales are determined by the activity of the “inner engine”. δt 1 ms suggests a compact object. T 50sec is much longer than the dynamical time scale, suggesting a prolonged activity (the ratio δt/T<<1>for short GRB as well). This requires two (or possibly three [270, 330]) different time scales operating within the “inner engine”. This rules out any “explosive” model that release the energy in a single explosion.

要找到这两种时标机制. 即在BZ过程中加入盘的进动, 螺旋不稳定性等.

螺旋不稳定性对磁场位形的完善.

既然是BZMC共存模型, 为什么不讨论BZ的螺旋不稳定性呢?

BZ过程考虑螺旋不稳定性可能解释伽玛暴的复杂光变曲线?

联系观测上的优势?

Idea:

同时考虑BZMC的螺旋不稳定性.

BZ过程的螺旋不稳定性可能解释伽玛暴的复杂光变曲线;

MC过程的螺旋不稳定性可能解释XRF;

进动盘的问题也是值得讨论的

04.12.15: BZ能量转化成伽玛射线的效率是0.15,其中肯定与辐射过程有关,能否通过我们模型解释该效率因子?

下一步工作的重点:辐射过程,伽玛射线的产生机制

arXiv:astro-ph/0401142 v2 12 May 2004

title: A Unified Model of Short and Long Gamma-Ray Bursts, X-Ray Rich Gamma-Ray Bursts, and X-Ray Flashes

idea: 可以用BZ准直喷流+盘进动模型解释,其中小圆对应BZ过程准直喷流的半开角,C为进动轨道边缘上的点,B1B2不在进动轨道上.

arXiv:astro-ph/0002527

author:

title: GRBs-SN and SGR-X-Pulsar as blazing Jets

idea: 理解GRB, 讨论GRB与类星体的类比研究, 以及进动喷流的研究


注明:

颜色:代表已经完成的

颜色:代表完成了一部分的

Tuesday, August 29, 2006

被磁场束缚的气体喷流

原文标题:Magnetic Fields Confine a Dying Star's Jets

原文来自:http://www.universetoday.com/ Posted: 03 Mar 2006

编译:Steed 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

 

这幅艺术画描绘了这样一幅图景——垂死恒星周围紧密缠绕的磁场将气体外流约束在狭长的喷流之中。许多长条形的行星状星云可能就是这样形成的。 Image credit: NRAO/AUI/NSF.

天文学家们使用美国国家科学基金会的甚长基线射电望远镜阵(VLBA),研究了一颗距离地球大约8,500光年的老年恒星。他们发现,从这颗垂死的恒星上喷涌而出的分子,正在被一个紧密缠绕的磁场约束在狭长的喷流之中。

天鹰座中的这颗名为W43A的恒星,正处于一个形成行星状星云的过程之中。在2002年,天文学家们发现,这颗老化的恒星正在射出一对水分子喷流。那个发现是一项突破,为理解许多行星状星云拉长型外 观的形成过程打通了道路。

“接下来的问题是,是什么不断地将这种喷涌而出的物质约束成狭长的喷流呢?理论学家们怀疑是磁场,而我们现在已经发现了一个磁场约束着这样一个喷流的第一个直接证据,”英国曼彻斯特大学乔德雷耳·班克(Jodrell Bank)天文台的沃特·弗莱明斯(Wouter Vlemmings)说。

“磁场之前曾经在类星体和原恒星射出的喷流中被检测到,但那些证据都不足以确定就是磁场约束着那些喷流。现在,新的这些VLBA观测第一次(为磁场和喷流)建立起了直接的联系,”弗莱明斯说。

喷流中的水分子会发出射电波辐射,利用VLBA对这些辐射的偏振性质进行研究,科学家们就能确定这些喷流周围磁场的强度和方向。

“我们的观测支持了最近的理论模型,即被磁场约束的喷流形成了我们偶尔会在行星状星云中见到的复杂形状,”同样来自于乔德雷耳·班克天文台的菲利普·戴蒙德(Philip Diamond)说。

类 似于我们太阳的恒星在“正常”的情况下,是由核心处发生的氢核聚变所驱动的。当它们临近生命终点的时候,它们开始吹散外层大气,最终坍缩成为一颗与地球差 不多大小的白矮星。白矮星发出的强烈紫外辐射会使较早前被抛出的气体开始发光,形成一个行星状星云。天文学家们相信,W43A正处于这个转变阶段之中,最 终会形成一个行星状星云。他们说,这种转变阶段可能只有 几十年之久,因此W43A为天文学家们提供了一个观察这一过程的珍贵机会。

哈勃拍摄的行星状星云M2-9,它的形状明显拉长,可能是垂死的恒星抛出的物质被磁场约束在狭长的喷流中形成的。W43A最终很可能也会形成这样一个拉长的行星状星云。Image credit: Hubble.

尽管制造行星状星云的恒星是球形的,但大部分星云本身却并非如此。相反,它们会展示出复杂的形状,许多都是拉长的。较早前发现的W43A中的喷流,展示了可能产生这种拉长形状的一种机制。最新的观测将帮助科学家们理解产生喷流的物理机制。

科学家们观测的水分子分布在距离恒星将近1000亿英里(1600亿千米)的区域之中,在那里,它们会放大或者增强22 GHz的射电波辐射。这样的区域被称为微波激射区,因为它们可以像可见光波段的激光放大器一样放大微波辐射。

较早前的观测表明,恒星中射出的喷流是螺线形的,表明这些气体的喷口正在缓慢地旋转。

弗莱明斯和戴蒙德的合作者有日本鹿儿岛大学的今井浩(Hiroshi Imai,音译)。天文学家们在3月2日的《自然(Nature)》杂志上报告了他们的发现。

VLBA 是由十架射电望远镜天线组成的系统,每个天线盘直径25米,重达240吨。从夏威夷大岛的莫纳克亚山到美属维尔京群岛的圣克鲁斯,VLBA的跨度超过 5,000英里(8,000千米),为天文学家们提供了世界上最锐利的视力。VLBA分辨细节的能力相当于站在纽约阅读洛杉矶市的一张报纸(即相当于在上 海阅读乌鲁木齐的一张报纸)。

最邻近的伽玛射线暴

原文标题:Astronomers Agog Over Stellar Explosion
原文来自:http://skyandtelescope.com/ Posted: February 23, 2006
著者:Robert Naeye
编译:Steed 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

Gamma-Ray Burst
这张艺术画描绘了一个典型的伽玛射线暴(GRB)所喷发出来的一对剧烈的喷流。今天的天文学家们相信,一些超新星可以将它们的一部分能量导引到这种接近光速运动的物质喷流之中。伽玛暴就是由这种喷流内部的激波所产生的。
Courtesy David Aguilar, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
 

 
天 文学界现在正忙于追踪一个伽玛暴,这是自1998年以来观测到的距离最近的一次长伽玛射线暴。地面和太空的主要望远镜都已经瞄向了目标。参与研究的天文学 家们抱有很高的希望,希望对这次事件的进一步研究可以为长伽玛暴(可以持续几秒到几分钟的超高能辐射的异常剧烈的爆发)和超新星(大质量恒星的爆炸)之间 的联系提供重要的细节。资深的业余天文学家们也将监测正在膨胀中的爆炸火球,它将在接下来的一到两周内增亮到大约16等。

NASA的雨燕号(Swift)卫星是在世界时2月18日3:43:30(北京时间11:43:30)检测到这个伽玛暴的。在不到 3分钟的时间内,雨燕号的紫外/光学望远镜就转向了白羊座中的正确坐标,找到了伽玛暴的余辉。世界各地的天文学家接到了预警,一大批望远镜开始对正在变暗 的余辉展开了观测。

起先,这个伽玛暴显得相当奇怪,因为它持续了大约30分钟,这比通常的长伽玛暴长了100倍。许多天文 学家怀疑,它实际上会不会是我们银河系内的一个暂现天体。但众多地面望远镜的后续观测很快将余辉与一个小星系联系了起来,这个星系的亮度为20等,其中有 恒星正在形成,距离地球大约4.7亿光年。在这个距离上,只有伽玛射线暴才会如此强大,足以被雨燕号看见。虽然如此,它还是比其他几乎所有的伽玛暴近得 多。“我们等待一个邻近的伽玛暴已经有好几年了,”戴尔·弗雷(Dale Frail,美国国家射电天文台)说,他利用新墨西哥州的甚大阵望远镜(VLA)在射电波段观测了此次事件。

Before and after Feb. 18 GRB
左侧的照片来自于斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey),显示了2月18日伽玛暴发生之前白羊座中的一片天区。右侧的照片是由雨燕号的紫外/光学望远镜拍摄的,显示出一个与恒星爆发有关的光点 (图片正中的蓝色光点),它使整个寄主星系黯然失色。每张照片宽为5角分。 Courtesy SDSS (左图); NASA / Swift / UVOT (右图).
 

2月21日,艾丽西娅·索德伯格(Alicia Soderberg,加州理工)和她的同事们利用位于智利的8.1米双子星南座望远镜,在伽玛暴的确切坐标上发现了一颗超新星(名为SN 2006aj)发出的光芒,此时超新星的亮度已经超过了正在变暗的伽玛暴余辉。同时出现的超新星实证了长伽玛暴的主流理论:它们是在大质量恒星发生超新星爆炸时产生的。

雨燕号检测到的大部分伽玛暴都发生在几十亿光年以外。唯一得到证实的距离更近的伽玛暴,是在1998年4月25日被意大利-荷兰的BeppoSAX卫星观测到的,它的距离大约为1.2亿光年。那次的事件也与一颗超新星(SN 1998bw)有关,是支持目前主流理论的重要事件之一。

1998 年4月和2006年2月的两次伽玛暴事件,它们的能量都比大部分被观测到的伽玛暴低了10到100倍(尽管2006年2月的事件持续了很长时间)。事实 上,如果它们发生在几十亿光年以外的话,两者可能都不会被看见。“新的发现证实,存在着一种潜在的、能量稍低的爆发种类,”索德伯格说。只有当它们发生在 相对较近的区域内时,诸如雨燕号这样的卫星才能检测到这些低亮度的伽玛暴。“如果一个普通的伽玛暴在这样的距离上发生,” 弗雷补充说,“它将摧毁太空中的所有探测器。”
 

GRB jet simulation
坍缩星模型电脑模拟中的一帧画面,展示了一个伽玛暴喷流正要钻出垂死恒星表面时的情景。
Weiqun Zhang and Stan Woosley (University of California, Santa Cruz)
 

斯 坦·伍斯利(Stan Woosley,加州大学圣克鲁兹分校)和安德鲁·麦克菲迪恩(Andrew MacFadyen,现在在普林斯顿高等学术研究所)在1990年代初提出了长伽玛暴的坍缩星模型。在现在处于主流的这种理论中,伽玛暴是在大质量恒星的 核心坍缩形成黑洞或中子星的时候被触发的。下落的恒星气体在坍缩核周围盘旋成一个吸积盘。磁场将盘中的一些物质导入两条非常接近光速运动的逆向喷流之中。 这些喷流中的激波产生了真正的伽玛射线,恒星本身也被炸碎,成为一颗Ib或Ic型的超新星(也就是说超新星的光谱中缺乏氢线,这大概是因为富含氢元素的外 侧包层在爆炸之前就已经在星风中被吹走了)。SN 1998bw和SN 2006aj都是Ic型超新星,与坍缩星模型相符。

但是坍缩星模型留下了一个未被解答的重要问题:为什么有些Ib或Ic型超新星会产生伽玛暴,而另一些则没有呢?索德伯格及 其同事进行的射电观测证明,不论喷流可能瞄向何方,只有大约百分之一的Ib和Ic型超新星伴有伽玛暴。伍斯利认为,关键的因素是自转。在一颗伴有伽玛暴的 超新星中,前身恒星在坍缩前自转迅速,爆炸就会将一部分旋转能量用于产生伽玛暴。而在低亮度的伽玛暴中,例如1998年4月和2006年2月的伽玛暴,大 部分爆炸的能量都用在了 产生超新星上。

“这些邻近的事件将使得我们有能力检验这些想法,” 弗雷说,他指出大多数伽玛暴都非常遥远,以至于天文学家没有机会看见伴随而来的超新星爆发。“我们从少数这种邻近爆发中学到的东西,将远远超过从大量遥远案例中获取的 知识。我们会对这个基本问题,即何种超新星会产生伽玛暴,取得更多的了解。”

“这些观测将是至关重要的,可以帮助我们理解不产生伽玛暴的普通超新星与确实能发出伽玛辐射的极强超新星之间的差别,”索德伯格补充说。

弗雷指出了这个邻近伽玛暴带来的另一个意外收获:雨燕号的快速预警让许多望远镜目睹了这颗超新星早期变亮的过程。“雨燕号捕获了核心坍缩的瞬间,并且在它发生的几秒钟内就将仪器瞄准了那里,”弗雷说。“以我们今天的眼光来看,这是个巨大的飞跃。”

除了和弗雷一起进行射电观测之外,索德伯格还将在接下来的几个月里,利用哈勃(Hubble)太空望远镜和钱德拉(Chandra)X射线天文台,对这颗超新星进行仔细观测。这些观测将有助于确定爆炸的总能量和寄主星系的属性——这些 都是解开伽玛暴本质的重要线索。
 

Half-degree field. Click for larger view.
上面这张宽为半度的寻星图,显示了白羊座东侧的一片天区,可以用来确定这次伽玛暴的位置。右上侧的白是下面一张更详细照片所覆盖的区域。这个伽玛暴的位置是赤经3h 21m 39.7s,赤纬+16° 52' 02"(纪元2000)。一颗9.6等的恒星位于它北侧2'处。图片的方位是上北下南,左东右西。Courtesy Digitized Sky Survey.
 
4-arcminute-wide field
这张详细的斯隆数字巡天照片显示了伽玛暴的寄主星系。它在红光波段的亮度为20等,位于4.7亿光年以外。这张照片宽为4角分,上北下南,左东右西。Courtesy Sloan Digital Sky Survey.
 

 

天文学家们预测,这颗超新星将在3月5日前后增亮到大约16等。配备了CCD相机的高品质业余望远镜可以轻易地拍到这种亮度的天体。美国变星观测者协会(AAVSO)正在组织世界范围内的联测,以监测超新星增亮和变暗过程中的光度输出。

“正在浮现的超新星出现在傍晚的夜空中,处于适合专业和业余监测的不错的位置上,”AAVSO的亚伦·普赖斯(Aaron Price)说。“测定超新星亮度达到峰值的时刻,对于科学家们来说是非常重要的。业余爱好者可以很好地完成这项任务,因为他们遍及世界各地,因此可以取得不错的时间分辨率(即 具有很好的观测连续性)。白天和糟糕的天气无法对这样的业余联测产生影响。”

来自河外星系的强烈磁星爆发

原文标题:Powerful Magnetar Blast from Another Galaxy
原文来自:http://skyandtelescope.com/ Posted: November 16, 2005
著者:Robert Naeye 审校:Linq 编译:Steed (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

A magnetar
这张艺术画描绘了磁星可能的样貌,如果我们可以近距离用X射线观测它的话。不过这可是没什么人敢做的事情。磁星是一种拥有超强磁场的中子星,它们的磁场在1,000公里以外就足以致命,使血肉之躯中的原子发生扭曲。磁星还能够释放出强大的耀闪,在大得多的距离上 造成威胁。 S&T: Gregg Dinderman.
 

 
2004年12月27日,天文学家们被震惊了,超过一打的太空船接收到了来自于我们银河系另一端的剧烈的伽玛射线爆发。在十分之二秒的时间之内,它将地球浸泡 在了一股强大的能量洪流之中,比以前观测到的任何太阳系外天体都更加明亮。罪魁祸首就是一颗高度磁化的中子星——一颗名叫SGR 1806-20的磁星(magnetar)。

幸 运的是,天文学家们不需要等待很久就遇到了他们的第二颗磁星大耀闪。(2005年)11月3日,至少六艘太空船接收到了一次强烈的伽玛射线爆发,它来自于 大熊座的一片天区,大致指向M81和M82的方向,这两个相当大的星系大约位于1200万光年以外。爆发的大部分能量都集中在一个只持续了十分之一秒的脉 冲之中。如果这场爆发源于M81或M82中的话,它的总能量和光谱就非常类似于2004年12月的SGR 1806-20大耀闪。

“所有的证据都符合这种解释——这是M81星系群中的一次磁星耀闪,”罗伯特·邓肯(Robert C. Duncan,德克萨斯大学)说,他与克里斯多佛·汤普森(Christopher Thompson,加拿大理论天体物理研究所)一起,在上世纪90年代初首先提出了磁星的设想。

“类似M81和M82的邻近星系在天空中是如此罕见,耀闪的能量又是如此与M81的距离相匹配,因引我们当然是非常认真地看待(耀闪起源于)M81/M82的 这种可能性的,”丹尼尔·珀利(Daniel A. Perley,加州大学伯克利分校)说。他计算出,类似于11月3日的爆发事件碰巧发生在类似于M81或M82这样如此邻近的明亮星系附近的概率只有3%。

M81, M82, and error box
这 张由斯隆数字巡天计划拍摄的大视场照片包括了相对邻近的星系:M81(中间偏上方)和M82(顶部中间)。2005年11月3日,六艘太空船检测到一次高 能伽玛射线的短暂爆发,这些射线就来自于被标示出来的不确定区域之中或者附近。这片区域非常靠近M81和M82,射线源可能就位于这两个星系之中的一个, 或者位于同一个星系群的一个矮星系之中。Courtesy SDSS Collaboration.
 

 

但 是珀利的伯克利同事凯文·赫尔利(Kevin C. Hurley)强调说,不确定区域中还包含了更多的遥远星系。“尽管爆发的模样确实与磁星的耀闪有些相像,但我们仍然无法证实这就是一场银河系外的磁星耀 闪,”他说。“我确实相信存在着银河系外的磁星耀闪,我与其他人一样渴望能够找到第一颗。但是我认为,在宣布胜利的时候,我们必需小心谨慎。”

如果未来的分析证实这次事件是M81或M82中的一次磁星大耀闪,这将是科学家们的一大福音。仅仅依靠一次被观测到的这种级别的爆发(2004年12月的事件),天文学家们无法说清楚磁星多久会释放出这样一次巨大的耀闪。但是将这两起耀闪放在一起,就 能暗示出在一个类似银河系的大型旋涡星系中,这样的爆发每几十年就会发生一次。

Light curve of Nov. 2005 giant magnetar flare
俄罗斯的Konus-Wind卫星所记录的光变曲线显示出,11月3日事件所发出的大部分伽玛射线都 是在不到0.1秒的时间内到达的。这种模式与2004年12月27日观测到的一次磁星大耀闪非常相似。 Courtesy Konus-Wind Team / Ioffe Physical Technical Institute.
 

 

它们还提供了与伽玛射线暴(GRBs)——一种产生于宇宙深处的强烈爆炸之间的联系。大约六分之一的伽玛暴持续的时间短于2秒;它们全都被称为短伽玛暴。就在过去的几个月间,天文学家们已经收集到了强有力的证据,表明大部分短伽玛暴都是遥远星系中的两颗中子星或者一颗中子星与一颗黑洞之间的并合所引发的。(长伽玛暴是在大质量恒星坍缩 形成黑洞时产生的。)

Magnetar giant flare
这张插图描绘了高度激发状态的一颗磁星在一场大地震之后的瞬间情形。炽热的表面条纹是由固体壳层的大规模偏移和扭转所产生的。恒星外侧的磁力线束缚着带电的物质粒子和反物质粒子,它们之间的相互湮灭产生了高能辐射。S&T: Gregg Dinderman.
 

 

但是磁星的巨大耀闪拥有短而强烈的伽玛射线脉冲,似乎是短伽玛暴的另一种类型。在2004年12月的巨大耀闪之后,天文学家们立即意识到,如果这次的事件是发生在一个相对邻近的星系之中,它看起来就会与一个典型的短伽玛暴完全相同。不到一年 内发生了两起磁星事件,这一事实暗示大约有10到20%的短伽玛暴可能是银河系外的磁星大耀闪,尽管天文学家们还没有观测到足够的事例来进行统计。就像赫尔利 所说的那样,“目前这些都是非常不确定的。”

磁星的巨大耀闪大概是由恒星内部的磁力线压迫恒星的薄壳层所引发的,当磁力线超过了临界极限,它就会导致一次突然的、大规模的恒星壳层移位,使得恒星外侧的磁力线重新将自己安置到一个较低的能量状态。这种剧烈的“地震”会将巨量的磁场能量转化成伽玛射线和亚原子粒子。

NASA 的雨燕号(Swift),HETE-2,RHESSI和火星奥德塞飞船,欧洲航天局的Integral卫星,以及俄罗斯的Konus-Wind卫星检测到 了11月3日的爆发。天文学家们还在研究9月6日检测到的一次短伽玛暴的观测数据,它可能也是波江座中一个遥远得多的星系——IC 328中的磁星大耀闪。

终于拿下!雨燕锁定短伽玛暴

原文标题:Caught At Last! Swift Pinpoints a Short Gamma-Ray Burst

原文来自:http://skyandtelescope.com/ Posted: May 13, 2005

著者:Alan M. MacRobert

编译:Steed 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

 

GRB 050509B location
超短伽玛暴GRB 050509B消失在虚线划定的误差范围以内,这是由雨燕号天文上的X射线望远镜测定的。它很可能发生的这个17等巨椭圆星系的边缘,后者在这张3.5米WIYN望远镜拍摄的可见光图片中是最突出的。
Courtesy Joshua Bloom, C. Blake, J. X. Prochaska, J. Hennawi, M. Gladders, and B. Koester.
 

 
NASA的雨燕号太空观测站(Swift Observatory),于去年11月20日发射升空,被设计用来检测几十亿光年以外的伽玛射线暴,并且在以秒计算的时间内找到它们的发源地。这就是它目前正在全心投入的工作。5月9日,雨燕号又开创了历史性的第一次。它记录了一次仅持续了0.03秒 的短伽玛暴,并且转过身去,拍下了微弱的、快速变暗的X射线余辉,从而将事件的位置测定在大约8角秒的精度范围以内。此前还从来没有哪个神秘的短伽玛暴被定位到如此精确的程度。其他望远镜对这个位置所做的更深入观测给我们提供了一些关于短伽玛暴本质的暗示。
GRB generator
这张艺术概念画描绘了喷流穿透一颗高温、超大质量的沃夫-瑞叶星,产生出一次长伽玛射线暴的情形。喷流会在几分钟内撕裂这颗恒星。点击这里查看动画(4M的QuickTime文件;将会打开一个新窗口)。动画是以实时演示的。
Courtesy NASA, Dana Berry, and SkyWorks Digital.
 

 
伽 玛射线暴(GRBs)可以分为两种截然不同的类型,长久以来,天文学家们一直怀疑它们是由两种不同的原因产生的。更常见的长伽玛暴(持续2秒到几分钟不 等)差不多已经被解释清楚了。在目前的图景中,它们是在一颗高温、超大质量的沃夫-瑞叶星(Wolf-Rayet star)坍缩形成黑洞时产生的。由超密物质组成的极高能物质盘在黑洞边缘产生,并且从它的两极以接近光速的速度射出狭窄的喷流;这些喷流穿透恒星表面 (如右图所示),并且将它撕裂,产生出Ib或Ic型超新星爆发。如果一束喷流直接指向我们,我们就会看到一个伽玛暴。伽玛暴通常会伴随着一个延迟的余辉, 波长范围从X射线到可见光, 再到射电波段。这些余辉是在爆发发生后的几小时、几天、甚至几周内,喷流穿过周围星际介质的时候产生的。
Inspiralling neutron stars
两颗中子星相互绕转,并合成盘状,最终坍缩的模型演示。点击这里查看动画(2.7M的MPEG文件;将会打开一个新窗口)。在现实中,事件发生的速度大约是动画演示的一千倍。
Courtesy NASA.
 

 
相 比之下,短伽玛暴可以短至几个毫秒。它们已经显示出了惊人的余辉匮乏——而且只有通过余辉,我们才能精确测定爆发的位置。因此,天文学家们几乎没有机会进 行后续观测,研究短暴的本质。一个主流理论认为,它们是在两颗中子星(或者也许是一颗中子星和一个黑洞)相互绕转,分裂成一个发射出喷流的盘,最终坍缩 为一个单独黑洞的过程中产生的。这样的事件结束得极其迅速,只产生出很少的余辉,甚至根本没有余辉。

5月9日雨燕号对后发座中一次短伽玛暴(编号为GRB 050509B)的观测支持了这个理论。雨燕号在53秒内就将它的X射线和紫外/光学望远镜指向了正确的区域,及时记录到了绝无仅有的一丝X射线余辉。这个余辉在5分钟内就变暗消失了。没有发现可见光和紫外余辉的踪迹。

在 几秒到几分钟内,地基望远镜也开始拍摄这个位置,后续的观测仍在继续。即使在8到10米的VLT和凯克望远镜中,也没有发现明显的余辉(先前报道的可见光 余辉被证明是误报)。但是最大的望远镜确实揭示出,这个位置就在一个巨椭圆星系的边缘,它由年老的低质量恒星组成,位于27亿光年以外(红移0.226) ——是一个没有年轻恒星形成的星系。

这是重要的。长伽玛暴被发现只发生于充斥着极年轻恒星的星系之中,因为大质量恒星非常 短命,无法游荡到远离他们出生地点的地方。而相互绕转的中子星就会古老得多,通常有几十亿年之久——这提供了足够的时间,使寄主星系变得年老,使其中的恒 星形成停止,很久以前中子星诞生时的爆炸也会拥有足够的时间,将恒星对踢到距离星系有一段距离的地方。

然而,案子还远没有终结。七个极其暗淡遥远的恒星形成星系确实出现在伽玛暴位置的误差范围以内。伽玛暴仍然有可能刚好发生在其中一个星系之中,发生在高红移大质量恒星族群之中。

不过,伽玛暴幸运地刚好出现在如此明亮的前景巨椭圆星系近旁的机率被估计为只有一千分之一左右。

Swift and a GRB
艺术画,描绘了正在观测伽玛射线暴的雨燕号卫星。Courtesy NASA.
 

 
观测仍在继续,雨燕号随时都可能再抓住一次短暴,再来表现一次。与此同时,它还以大约每周2次的平均速率记录着寻常的长伽玛射线暴。尽管这个速率略低于天文学家们以前的预期,但它仍然能够为更多的伽玛暴提供比以前 详细得多的数据。

例 如,去年12月19日,雨燕号看见的长暴就拥有一条复杂的光变曲线。雨燕号向全世界发布消息的速度足够迅速,以致于亚历桑那州1.3米的PAIRITEL 自动望远镜可以在爆发开始2分钟内,就指向爆发地点(位于仙后座),并且开始了拍摄。此时伽玛暴仍在发生——PAIRITEL发现了一个伴随着伽玛射线一 起出现的、闪烁着红外线的光源。这是这种现象首次被发现。此外还有一次伽玛暴,在伽玛射线事件仍在持续的时候被观测到可见光和红外线辐射,但那次的事件 中,光辐射和伽玛射线的变化并不同步;这些光辐射明显来自于喷流与周围气体的相互作用,与余辉类似。然而在12月19日的伽玛暴中,红外辐射明显来源于异 常强劲的喷流核心本身。

破解短伽玛暴之谜

原文标题:In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery

原文来自:http://www.nasa.gov/ Posted: October 5, 2005

编译:Steed 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)


科学家们已经解开了长达35年之久的、一种剧烈瞬时闪光——即短伽玛暴的起源之谜。这些闪光比十亿颗太阳还要明亮,但只持续几个毫秒,完全快到令人无法捕捉……直到现在。

如果你猜到它可能与黑洞有关,那么你至少猜对了一半。短伽玛暴产生于黑洞与中子星,或者两颗中子星之间的碰撞。在第一种情况中,黑洞吞下中子星,变得更加巨大。在第二种情况中,两颗中子星会产生出一个黑洞。

Gama Ray Burst Image Gama Ray Burst Image Gama Ray Burst Image

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图:黑洞吞吃一颗中子星的过程。科学家们说,他们已经看到了令人兴奋的、一个黑洞吞食一颗中子星的第一项证据——黑洞先将中子星拉成一个月牙形,吞掉它,然后在随后的几分钟到数小时内,吞咽下破裂恒星的碎屑。 Credit: Dana Berry/NASA

伽 玛射线暴,已知最剧烈的爆炸,最早是在1960年代末期被检测到的。它们是随机的,短暂的,可以发生在天空的任何区域。试着在一个巨型体育馆中寻找一次相 机闪光的位置,你就能体会到伽玛暴搜索者们所面临的巨大挑战。使用众多地基望远镜和NASA卫星的科学家们之间的空前协调合作才最终解决了这个谜题。

两年前,科学家们发现,持续时间超过2秒的长伽玛暴是由超大质量恒星的爆炸所产生的。然而,还有大约百分之三十的伽玛暴是短于两秒的。

自从五月以来,共有四次短伽玛暴被检测到。其中两次成了10月6日《自然(Nature)》 上四篇论文的重点研究对象。七月的一次伽玛暴提供了确凿无疑的证据,支持了碰撞理论。另一次伽玛暴则更进了一步,提供了兴人兴奋的、一个黑洞吞食一颗中子 星的第一项证据——黑洞先将中子星拉成一个月牙形,吞掉它,然后在随后的几分钟到数小时内,吞咽下破裂恒星的碎屑。

这些发现也许还会对引力波的直接探测有所帮助,此前它们从未被直接看见过。这样的并合会产生引力波,即时空涟漪。短伽玛暴可以告诉科学家寻找这些涟漪的时间和地点。

“伽玛暴通常是出了名地难以研究,而最短的伽玛暴更是几乎不可能被捕捉到的,”NASA哥达德太空飞行中心的尼尔·格雷斯博士(Neil Gehrels)说,他是NASA雨燕号(Swift)探测器的首席研究员,也是《自然》杂志上其中一篇论文的第一作者。“这一切都已经改变了。我们现在已经拥有了研究这些事件的称手工具。”

Gama Ray Burst Image Gama Ray Burst Image Gama Ray Burst Image Gama Ray Burst Image

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上图:这 些哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)拍摄的照片显示了正在变暗的余辉和它的寄主星系,这个短伽玛暴是在2005年7月9日被HETE卫星检测到的。这些照片分别拍摄于伽 玛暴之后的5.6、9.8、18.6和34.7天。明亮的点状余辉位于左侧,在伽玛暴之后的一个月时间内逐渐变暗。照片中的颜色表明了哈勃的高新巡天相机 在红光(814纳米)波段中所见到的光强。Credit: Derek Fox/Penn State University


雨燕号探测器在5月9日检测到了一次短暴,NASA的高能瞬变现象探测器(High-Energy Transient Explorer,缩写为HETE)在7月9日检测到了另一次短暴。这就是《自然》杂志关注的两次伽玛暴。雨燕号和HETE探测器迅速而自动地通过手机、传呼机和电子邮件等方式,将伽玛暴的坐标发送给科学家和观测者们。

5月9日的事件标志着科学家们第一次辨认出了一个短伽玛暴余辉,通常余辉会出现在长伽玛暴之后。(上海网上天文台曾经对此有过报道,详见《终于拿下!雨燕锁定短伽玛暴》一文。)《自然》杂志上新公布的结果描述了对两次伽玛暴余辉的彻底分析,确定了短伽玛暴的起源。

Gama Ray Burst Image图:哈 勃太空望远镜拍摄的余辉和寄主星系周围天区的照片,这个短伽玛暴是由HETE在2005年7月9日发现的。圆圈表明了HETE探测器看见伽玛暴出现的天 区;按照HETE小组的说法,我们可以在这片区域中找到这个伽玛暴。内部的方框表明了X射线和光学余辉最终被找到的位置。照片中的颜色表明了哈勃的高新巡天相机在红光(814纳米)波段中所见到的光强。击图片查看大图

Credit: Derek Fox/Penn State University


“我们早就有一个预感,短伽玛暴来自于一颗与黑洞或者另一颗中子星相撞的中子星,但是 只有这些新的检测结果才确证了这一点,”宾州州立大学的德里克·福克斯博士(Derek Fox)说,他是《自然》杂志上另一篇详述多波段观测的论文的主要作者。

福克斯的小组利用NASA的钱德拉(Chandra)X射线天文台发现了7月9日伽玛暴的X射线余辉。然后,一个由哥本哈根大学的因斯·荷芙教授(Jens Hjorth)领导的小组利用智利La Silla天文台上的1.5米丹麦望远镜辨认出了光学余辉。然后福克斯的小组又利用了NASA的哈勃太空望远镜、智利Las Campanas天文台的du Pont and Swope望远镜、夏威夷莫纳克亚山上的昴星团(Subaru)望远镜、以及美国新墨西哥州的甚大阵(VLA)射电望远镜,对余辉进行了深入的研究。

Gama Ray Burst Image Chandra Image

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图:雨燕号拍摄的两次短暴的天区照片。左侧是GRB 050509b的照片。蓝圈表明了雨燕号伽玛射线望远镜确定的位置,红圈表明了雨燕号X射线望远镜确定的位置。右测是GRB 050724的照片。红圈是雨燕号X射线望远镜确定的范围,小圆圈和十字标记是根据可见光、X射线(钱德拉)和射电观测确定的精确位置。在两个案例中,伽玛暴似乎都与一个明亮的椭圆星系联系在一起。
Credit image 1:
Rhaana Starling/Univ. Amsterdam, Jens Hjorth/Univ. Copenhagen.
Credit image 2:
Gianpiero Tagliaferri/Osservatorio Astronomico di Brera.


对7月9日的伽玛暴,即GRB 050709所做的多波段观测,为解决短暴之谜提供了所需的全部拼图。

“强大的望远镜没有在伽玛暴变暗时,检测到任何超新星,反驳了大质量恒星爆炸的理论,”麻省理工大学的乔治·瑞克博士(George Ricker)说,他是HETE的首席研究员,是《自然》杂志上另一篇论文的合作者之一。“7月9日的伽玛暴就像是那条不会吠的狗一样。(译注:会叫的狗不咬人,咬人的狗不会叫, 大概这个意思。)”

瑞 克补充说,7月9日的伽玛暴,可能还有5月9日的伽玛暴都位于它们寄主星系的边缘,这里正是年老的、正要并合的双星应该出现的位置。短伽玛暴被认为不应该 出现在年轻的、恒星正在形成的星系之中。两颗构成一个双星系统的大质量恒星需要花费数十亿年时间,才能先演化到黑洞或中子星阶段,然后再逐渐并合。一颗恒 星转变为黑洞或中子星的过程包含了一场爆炸(超新星),会将这个双星系统从原先的位置上踢开,外移到寄主星系的边缘。

GRB afterglow image右侧的动画:不同的天文台对2005年7月9日伽玛暴余辉的观测对比。一个由德里克·福克思领导的小组利用NASA的钱德拉X射线天文台发现了X射线余辉;一个由哥本哈根大学的因斯·荷芙教授领导的小组利用智利La Silla天文台上的1.5米丹麦望远镜辨认出了光学余辉。福克斯的小组还利用NASA的哈勃太空望远镜对伽玛暴余辉进行了进一步的研究。
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Credit:
NASA, University of Copenhagen. Visualization credit: Mike McClare/NASA GSFC.

7 月9日的伽玛暴和随后7月24日的伽玛暴显示出了独特的信号,表明那并不只是年老恒星间的并合,而是更加特别的黑洞与中子星之间的并合。科学家们看见了最 初的伽玛暴之后出现的X射线尖峰。一闪而过的伽玛射线部分很可能就是黑洞吞吃中子星大部分躯体的信号。而在几分钟到数小时之内随之而来的X射线信号,则可 能是中子星残余的碎屑落入黑洞所形成的,有点类似于饭后甜点。

还有更多。并合事件会产生出引力 波,即爱因斯坦所预言的时空波纹,但却从未被直接检测到。7月9日的伽玛暴发生在大约20亿光年以外。一个更靠近地球的巨大并合事件可以被美国国家科学基 金会的激光干涉引力波天文台(LIGO)检测出来。如果雨燕号检测到一个邻近的短伽玛暴,LIGO的科学家们就有了精确的时间和地点,可以回头检验他们的 数据了。

“这对于LIGO来说,是个好消息。”加州理工大学LIGO实验室的艾伯特·拉泽里尼博士(Albert Lazzarini)说。“短暴和并合之间的关联使得LIGO的预计的事件检测率更加稳固,它们似乎与以前的乐观估计更加一致。而且,观测还提供了黑洞与中子星并合的令人兴奋的线索。在未来 持续一年的LIGO观测中,我们也许会检测到来自于类似事件的引力波。”

黑洞与中子星的并合所产生的引力波比两颗中子星的并合要更加强大。现在的问题是,这样的并合会有多普遍,距离会有多近。2004年11月发射升空的雨燕号探测器将会回答这个问题。

短伽玛暴之谜再掀波澜

原文标题:Cosmic Explosion Mystery Deepens
原文来自:http://skyandtelescope.com/ Posted: March 21, 2006
撰文:Robert Naeye
编译:Steed 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

GRB following a black hole-neutron star merger
艺术家达纳·贝里描绘了一颗中子星落入一个黑洞时产生的短伽玛暴(GRB)。天文学家们现在开始意识到,另一种剧烈事件也能产生短伽玛暴。
Courtesy NASA / GSFC / Dana Berry.
 

 
就 在天文学家们认为他们已经解决了天文学中最高深的谜团之一——短伽玛暴的起源之时,大自然又让他们大吃了一惊。所谓的“短伽玛暴”通常会在一个强烈的高能 辐射脉冲中,释放出相当于十亿颗太阳的能量,这种脉冲最多持续两秒钟。多亏了NASA的雨燕号(Swift)和HETE-2号卫星,天文学家们已经在过去 的几年中,向着理解这种神秘莫测的爆炸,大大地迈进了一步。但是科学家们 发现,他们收集的数据越多,知道的似乎就越少。

几个月前,天文学家、新闻机构和媒体都宣称,短伽玛暴之谜已经被破解了。根据雨燕号和HETE-2对几个短伽暴位置的精确测定,以 及太空和地面望远镜对它们所做的后续观测,大部分天文学家都确信,短伽玛暴是由两颗中子星,或者一颗中子星和一个黑洞,灾变性地并合而引发的。这种起源不 同于持续时间超过2秒的伽玛暴(长伽玛暴),后者与大质量恒星的爆炸有关。[译注:关于当时的报道,详见网上天文台的译文《破解短伽玛暴之谜》《古老的恒星与神秘的宇宙爆炸》《黑洞吞食中子星的证据》。]

然而,最近的观测证明,短伽玛暴远比天文学家们所认为的更加复杂和多样,许多不同的剧烈过程也许都会产生短伽玛暴。正如乔舒亚·布鲁姆(Joshua Bloom,加州大学伯克利分校)解释的那样,“我认为距离盖棺定论还差得很远。大自然不会轻易放过我们。”

根据并合模型,当两颗中子星盘旋着撞在一起时,最后产生的天体通常会立即坍缩成一个黑洞。少量的残余气体会在黑洞周围形成一个小盘。当盘中的物质旋入黑洞时,磁场会将一部分物质引导到一对喷流之中, 沿着相反的方向以接近光速的速度喷射出去。喷流中动荡的激波产生了伽玛暴。这种模型似乎可以漂亮的解释短伽玛暴,包括它们短暂的持续时间,它们的能量,还有它们远离恒星形成区域的位置。

但是,短伽玛暴与理论学家们的预期并不一致。例如,雨燕号在2005年7月9日观测到一个短暴,在7月24日观测到另一个短暴。这两个伽玛暴都在主暴[译注:即主要的伽玛暴脉冲]出现的几分钟之后,伴随有强烈的X射线闪光。这些随之而至的闪光所包含的总能量几乎与主暴本身包含的能量相同。并合模型无法预言这些闪光,因为它预言几乎所有的残留气体都会在一到两秒内落入黑洞之中。中央引擎会因为燃料的缺乏而迅速关闭,无法产生出后续闪光。

2005年12月21日观测到的另一次短伽玛暴震惊了天文学家,因为它的总能量大约与一次典型的长伽玛暴相同。这与先前研究过的短伽玛暴形成了鲜明的对比,那些伽玛暴释放的能量最多只有长暴能量的10%。射电观测还表明,12月21日事件的中央引擎持续地将能量注 入周围的气体之中,这个过程一直持续到最初爆发的几个小时之后。“这很难与并合模型,或者任何模型相符,”艾丽西娅·索德伯格(Alicia Soderberg,加州理工)说,她领导的一个小组在射电、光学和X射线波段研究了这个伽玛暴。

这 些发现正在挑战理论学家们的创造力,迫使他们想出新的解释。一些研究者正在抛弃并合模型,而另一些则试图调整这个模型,来解释X射线闪光。“理论学家们已 经削尖了他们的铅笔,并且意识到还有其他的方法能够产生出一个短伽玛暴,”雨燕号的首席科学家尼尔·格雷斯(Neil Gehrels,NASA/哥达德太空飞行中心)说。

这是一个计算模拟的截图,显示了一个短伽玛暴的冲击波向外扩大,击中并且包裹住一颗伴星的过程。这种剧烈的相互作用可以在爆发的几秒到几分钟之后产生出X射线闪光。令人惊讶的是,这颗恒星(右侧的蓝紫色圆圈)可以在这种剧烈的干扰下存活下来。
Courtesy Andrew MacFadyen.
 

 

在一篇投稿给《天体物理杂志(Astrophysical Journal)》的论文中,安德鲁·麦克菲迪恩(Andrew MacFadyen,普林斯顿高等学术研究所)和两位同事提出,一些短伽玛暴的前身天体可能是双星系统,由一颗中子星和一颗普通恒星构成。普通恒星上流出 的物质在中子星上堆积,直到中子星无法再承受这些重量。它会引力坍缩成一个黑洞,引发一个短伽玛暴。剧烈的爆炸会接近光速向外抛出物质。其中一些物质会击 中那 颗伴星,产生出一个X射线闪光。

在2月24日的《科学(Science)》杂志上,戴子高 (Zigao dai,中国南京大学)和三位同事提出了一种模型,可以挽救并合模型,同时还能解释X射线闪光。在这种模型中,两颗相对较轻的中子星并合,产生出一个短伽 玛暴。但是两个天体的总质量仍然保持在一颗中子星的质量上限以下,因此并合产生了一颗较重的中子星,质量约为太阳的3倍。新形成的中子星以每秒上百次的频 率自转。就像太阳赤道区域的自转速度快于两极一样,“较差自转(differential rotation)” 也会在这颗中子星内部绕紧磁力线。磁致应力(Magnetic stress)会聚积几十秒,直到这种郁积起来的能量在一场强烈的爆炸中释放出来。这种爆炸会抛出大块的物质,形成一个强烈的火球。当移动较快的团块撞上 移动较慢的团块时,它们就会产生出X射线闪光,其性质与雨燕号观测到的X射线闪光相似。这个过程可以重复发生好几次,因此戴子高的模型可以解释为什么7月 24日的伽玛暴产生了5次X射线闪光。

布鲁姆和麦克菲迪恩都很快从超新星中找到了类似之处。其中一些超新星是爆炸的大质量恒星,另一些则是爆炸的白矮星。尽管这 两种主要的超新星机制相当不同,但它们产生的爆炸都处于相同的能量级别,这确实是自然的巧合。“我认为短伽玛暴可能也存在着多种起源,就像超新星的情况一 样,”麦克菲迪恩说。

天文学家们已经知道,也许有10%的短伽玛暴与并合无关。这些事件起源于邻近的星系,是由高度磁化的中子星,即所谓的磁星 (magnetar),释放出剧烈的耀闪,在短短一两秒内产生出大量伽玛射线而形成的。这样的耀闪在2004年12月27日被观测到,来自于银河系中的一 颗磁星。六艘太空船可能还在去年11月3日观测到了一次银河系外的磁星耀闪,它来自于M81星系团。从观测的角度来说,这次事件看起来非常像一个典型的短 伽玛暴。但是它的起源也许完全不同于大部分短伽玛暴。[译注,关于这两次磁星闪耀事件,详见上海网上天文台的译文《最明亮的爆发》《来自河外星系的强烈磁星爆发》。]

理论学家们已经设想了其他罕见的剧烈过程,它们也能释放出短暂的伽玛射线爆发,并且达到令人惊愕的能量级别。一种可能的情况被称为“上新星(supranova)”[译注:这个术语还没有标准的中文译名,这里只是临时的译名]。在这种情况下,一颗大质量恒星的坍缩核心产生了一个超重的中子星, 它实际上已经超出了一颗中子星的质量上限(其数值介于2到3倍太阳质量之间)。如果这颗中子星超高速自转,离心力就能暂时阻止它坍缩成一个黑洞。但是最终自转 会减慢下来,中子星会坍缩成黑洞,在这个过程中引发一场延迟的短伽玛暴。

雨 燕号、HETE-2和其他天文台未来的观测,也许会揭露出新的短伽玛暴种类,或者帮助天文学家们解开这个谜团。如果一个短伽玛暴发生在一个邻近的星系中, 诸如LIGO这样的引力波天文台也许就能看到这个剧烈事件在时空结构中产生的波纹。这种同步观测也许能够为破解这个谜题提供关键线索。

与 此同时,天文学家们还在努力破解长伽玛暴的细节。存在着大量无可辩驳的证据,表明这些爆炸代表了一颗大质量恒星的坍缩,这些恒星自转迅速,拥有较低的重元 素浓度。这些坍缩也会产生一个超新星爆发。天文学家们希望,2月18日观测到的一个相对邻近的长暴,可以在伽玛暴和超新星之间的联系方面,提供新的细节。[译注:关于这个邻近的伽玛暴,详见网上天文台的译文《最邻近的伽玛射线暴》。]

对于短暴,麦克菲迪恩说,“最重要的事情是,保持一个开放的头脑。中子星的并合并不是最终的盖棺定论。”

黑洞之谜层出不穷

原文标题:Black Holes: Solving Mysteries Creates More Mysteries

原文来自:http://www.space.com/scienceastronomy/060710_mystery_monday.html Posted: 10 July, 2006

撰文:Jeanna Bryner

编译:Leon 审校: 林清 (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

黑洞,如同披着一件魔法世界中的隐身衣,从来不肯向世人露出它们的真面目。根据爱因斯坦的广义相对论,我们才得以了解黑洞所具有的一些性质。
 


画家笔下的黑洞-恒星系统想象图。图中右侧的黑洞从左侧伴星处吸取物质,形成了两股喷流,并且沿黑洞自转的轴线方向喷出。

直 到最近几年,天文学家才陆陆续续得到了一批可靠的观测证据。根据X射线望远镜获得的数据,研究人员已经在银河系以及近邻星系中找到了数千个黑洞的蛛丝马 迹,这些黑洞大部分是恒星爆发的残余,因此质量不大。对于超大质量黑洞而言,吞噬这样一颗恒星就如同珠穆朗玛峰吸纳一片小雪花。通过X射线图像,研究人员 正在试图对黑洞及其周围区域进行监视,以期解开长期困扰在人们心中的疑团。莫非天文学家们已经具有了魔术般的力量,可以看清楚黑洞这个密度大得连光都无法 逃脱的天体了吗?不能这么说。因为每解决一个问题,新的问题就又冒了出来。

我们已经知道,宇宙中至少存在两类不同尺度的黑洞。一类是恒星 级黑洞,质量为太阳的10到20倍,是大质量恒星演化末期由于引力坍缩形成的。另一类是超大质量黑洞,质量为太阳的几百万倍到几亿倍不等,在很多星系的中 心都存在这种级别的黑洞。关于是否存在介于二者之间的中等尺度黑洞,人们目前还不清楚。

黑洞通过吸积周围的气体、尘埃等物质可以逐渐“长 大”。物质在落入黑洞之前被加热到很高的温度,发出X射线束,X射线望远镜(比如美国宇航局(NASA)的钱德拉X射线望远镜)能够捕捉到这些光线。 1971年,第一颗恒星级黑洞——天鹅座X1就是用这种方法证认的。从那以后,人们又观测到了数以千记的黑洞存在的证据。2001年,科学家们还首次观测 到了天鹅座X1中物质落入黑洞的真实情景。

前不久在一次电话采访中,马里兰大学的天文学家克里斯多夫·雷诺兹(Christopher Reynolds)对记者说:“有许多问题亟待解决,而且往往我们解决掉一个,马上就有两个新问题蹦出来。”

有 一个问题已经困扰了人们好久:黑洞是如何将周围环绕的气体和尘埃吸进去的?由于角动量守恒,气体和尘埃本应该一直环绕在黑洞周围运动才对,就好像行星环绕 太阳运动,不会掉到太阳上。天文学家们早就知道仅靠万有引力是不能把物质吸入黑洞的,前不久密歇根大学的天文学家乔恩·米勒(Jon Miller)领导的一个团队发现,磁场在这一过程中扮演了重要的角色。
 


超大质量黑洞的俯视模拟图。炽热的气体围绕事件视界作旋涡状运动,蓝色区域表示电磁波沿平行屏幕的方向振荡,红色表示沿垂直方向振荡。白色的圆圈是由于光线受到黑洞巨大的引力作用绕黑洞转圈所形成的。

这 个团队对GRO J1655-40进行了研究,这是一个双星系统,主星是一个7倍太阳质量的黑洞,正在源源不断地吞噬从伴星那里抢夺过来的气体物质。钱德拉X射线望远镜拍 摄的照片显示,气态吸积盘上吹出了一股炽热的带电粒子风。他们认为,是磁场驱动了带电粒子风。由于这股风的出现,吸积盘自转的能量大大降低,于是盘中内侧 的粒子就会落入到黑洞里面,被黑洞所吞噬。

2000年,洛杉矶加州大学的女天文学家安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)和他的同事们对银河系中心质量为300到400万倍太阳质量的黑洞进行了观测,获得了迄今为止关于超大质量黑洞周围区域最详细的观测资料。过去几十年中,这种规模的黑洞是否真的存在一直备受质疑,因为大气扰动使得人们很难对其清晰成像。

盖兹对银河系周围的恒星进行了为期4年的观测,发现它们在以超过每小时500万公里的速度绕星系中心运行,盖兹根据其轨道推算出了中心黑洞的质量。2002年一个欧洲科学家团队也进行了类似的观测,认为从它的质量上来看,它只能是一个黑洞。

盖兹表示,关于这种黑洞是如何形成的,目前仍没有完全弄清楚。她说:“有一种观点认为,当宇宙诞生第一代恒星时,它们就已经形成了。第一代恒星的质量普遍要比今天所看到的恒星大。”

现在,另一个谜团出来了:盖兹等人已经观测到了超大质量黑洞周围存在一些非常年轻的恒星,然而现有的理论认为,黑洞周围巨大的引力会严重阻碍恒星的形成过程,这就产生了矛盾。

每解决一个问题,就有更多的问题冒出来,黑洞,不愧为宇宙中最神秘的天体之一。想做进一步阅读,请参阅恒星的十大未解之谜(英文链接)

星簇卫星捕获磁重联

原文标题:Cluster Spacecraft Catch a Magnetic Reconnection

原文来自:http://www.universetoday.com/2006/07/18/cluster-spacecraft-catch-a-magnetic-reconnection/

Posted: July 18, 2006

编译:Leon 审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

欧洲空间局(ESA)的“星簇”探测卫星于2001年9月15日这个恰当的时间到达了恰当的地点,它们飞越了地球磁层重组的区域,获得的大量数据有助于科学家们更好地模拟地球磁层与太阳风的相互作用,以及其它恒星和强磁性奇异天体周围的磁场。

家笔下的磁重联区域及四颗“星簇”卫星。Credit: ESA

这是科学家们首次观测到此类现象,为天文学家洞察磁重联这一物理过程开辟了独特的视角。正是磁重联导致了太阳系中最猛烈的爆发。

当人们观察条形磁铁周围铁屑的排布形状时,大概怎么也想不到在其他一些情况下,磁场是多么的暴戾无常。

在太空中,不同区域磁场的行为有时候很像巨大的“磁泡”,每个磁泡中都包含带电的气体——等离子体。当这些磁泡相遇并且相互挤压的时候,它们的磁场就会破裂,而后重新联结,形成更加稳定的磁场构形。磁场的这种重联往往会产生喷流,并且加热等离子体。

在磁重联的中心,必然存在一个磁场破裂、重组的三维区域,科学家们称这个区域为“零点”。然而到目前为止,还没有确切证认出这样一个区域,因为至少需要在四个点同时进行测量。

2001年9月15日,四颗“星簇”卫星正以四面体队形在地球背面飞行,相互之间相距1000公里。当它们飞过地球背面延伸的磁尾时,环绕了一个可疑的磁零点。

中国科学院的肖池阶博士、北京大学的濮祖荫教授、大连理工大学的王晓刚教授领导的一个国际研究小组详尽地分析了卫星发回来的数据,由此推断出了零点的大小和三维结构,结果令人吃惊。

这个零点出人意料地呈现涡旋结构,直径大约为500公里。他们说:“这个特征尺度在此之前从来没被报道过,不管是在观测、理论、还是模拟上。”

这个结果是星簇卫星取得的一个重要成就,令科学家们得以首次观察到磁重联中心的过程。

宇宙中磁重联被认为是驱动许多剧烈现象的基本过程,比如远距离黑洞中逃逸出的喷流,还有我们太阳系中释放出高达10亿颗原子弹能量的太阳耀斑。

在更小的尺度上,地球磁场朝着太阳一面边缘处的磁重联使得太阳风吹过,触发了一类特殊的极光,叫做“质子极光”。

了解磁重联区域触发的现象也有助于帮助科学家驾驭核聚变,从中获得能量。在托卡马克式聚变反应堆里,自发形成的磁重组破坏了装置的可控性。通过了解磁重联是如何发生的,核聚变专家们希望能够设计出更优质的反应堆,避免这种现象发生。

这个研究小组已经证认出了一个磁零点。目前他们希望今后能够找到更多的磁零点,将它们相互进行比较,看看首次发现的这种构形究竟是罕见的还是普遍存在的。

Search for the possible emission regions for different categories of gamma-ray bursts

astro-ph/0608570 [abs, ps, pdf, other] :
Title: Search for the possible emission regions for different categories of gamma-ray bursts
Authors: Zhibin Zhang, G. Z. Xie, J. G. Deng, B. T.Wei
Comments: 6 pages;6 figures

Using a theoretical model describing pulse shapes, we have clarified the relations between the observed pulses and their corresponding timescales, such as the angular spreading time, the dynamic time as well as the cooling time. We find that the angular spreading timescale caused by curvature effect of fireball surface only contributes to the falling part of the observed pulses, while the dynamic one in the co-moving frame of the shell merely contributes to the rising portion of pulses provided the radiative time is negligible. In addition, the pulses resulted from the pure radiative cooling time of relativistic electrons exhibit properties of fast rise and slow decay (a quasi-FRED) profile together with smooth peaks. Besides, we interpret the phenomena of wider pules tending to be more asymmetric to be a consequence of the difference in emission regions. Meanwhile, we find the intrinsic times of short bursts in the co-moving frame are larger than for long ones. Based on the analysis of asymmetry, our results suggest that the long GRB pulses may occur in the regions with larger radius, while the short bursts could locate at the smaller distance from central engine.

Spin of Stellar-Mass Black Holes Estimated by a Model of Quasi-Periodic Oscillations

astro-ph/0608578 [abs, ps, pdf, other] :
Title: Spin of Stellar-Mass Black Holes Estimated by a Model of Quasi-Periodic Oscillations
Authors: Shoji Kato, Jun Fukue
Comments: 12 pages, 6 figures, PASJ 58 (in press)

We have proposed in previous papers that the high-frequency pair QPOs observed in black-hole binaries with frequency ratio 3:2 are inertial-acoustic oscillations (nearly horizontal oscillations with no node in the vertical direction) or g-mode oscillations, which are resonantly excited on warped relativistic disks. The resonance occurs through horizontal motions. In this model the dimensionless spin parameter $a_*$ of the central sources can be estimated when their masses are known from other observations. This estimate is done for three sources (GRO J1665-40, XTE J1550-564, GRS 1915+105). For all of them we have $a_*\leq 0.45$.

美澳科学家宣布在外太空发现奇特的磁星体

新浪科技讯 据美国“太空新闻网”28日报道,美国与澳大利亚的科学家们近日宣称,他们在外太空发现了一颗非常奇特的星星,这颗属于“磁星体”的星星距离地球约1万光年,可以发出非常有节律的“心跳声”,显得格外与众不同。

  在最新一期的美国《自然》杂志上,美国与澳大利亚的一个研究小组联合公布了他们的这一新发现。研究小组的科学家们表示,通过架设在澳大利亚东部地区的帕克斯(Parke


s)射电望远镜,他们在距离地球约1万光年的外太空发现了一颗名为“磁星体”的奇特巨星。这颗星星周围具有非常强烈的磁场,并且不停地在向外界发射着独特 的电磁脉冲,有如人类的“心跳声”。一般情况下,人们不会去刻意收听来自太空的无线电波,因为大多数星星的电波听起来只是单调的嘶嘶声。但这颗星星却与众 不同,它的无线电波收听起来确实令人激动不已。

  美国哥伦比亚大学教授弗纳多-卡米罗是该联合研究小组的负责人,成员包括哥伦比亚大学天文学系、

澳大利亚联 邦科学与工业研究组织、美国射电天文台等机构。研究小组的科学家们发现,这颗磁星体的“心跳”声每隔5.54秒钟就会发射一次。随着这颗星体不停的转动, 它就会向外太空不停地发送无线电波束,当电波的传播路径碰到地球的时候,就会产生一种尖锐的脉冲。科学家们说他们是在长期的观察过程中无意发现这一现象 的,而在此之前,人类从来没有发现过“磁星体”会产生无线电脉冲。

  弗纳多-卡米尔教授称,天文学界普遍认为,“磁星体”是巨大的恒星爆炸后的残留物 在整个银河系中,人们目前知道的“磁星体”只有十几个,它们之所以能够被人类发现,是因为它们周围有着特别强烈的磁场。典型脉冲星的磁场比地球的磁场强度 要高出约十亿倍,但是“磁星体”的磁场强度却比脉冲星的磁场还要高出数百倍。在如此强烈的磁场环境下,如果你站在距它1000公里的地方,地球上的任何生 物都会被电磁波烤熟。如果地球从“磁星体”附近经过的话,地球上的所有的生物将被彻底灭绝。科学家们相信还会有更多的“磁星体”将被发现,对它们的进一步 观测和研究将有助于解释这类星体在恒星生命周期中所扮演的角色。

  弗纳多-卡米尔教授说,“据我们估计,在大约十颗超新星的爆炸过程中,就会有一颗可能成为磁星体,而不是一般的中子星或脉冲星。磁星体是目前外太空中电磁强度最强烈的星体。”

  位于澳大利亚新南威尔士州的帕克斯射电望远镜是南半球最大的望远镜,它可以非常清楚 地观测南半球整个天空。1969年,澳大利亚帕克斯望远镜曾经将人类首批登月的照片成功地传回到了地面。1998年12月至2000年8月,澳大利亚的科 学家们使用帕克斯64米口径射电望远镜和澳大利亚密集阵列望远镜收集到了银河系平面第四象限内关于中性氢的全部数据。通过这些数据,澳大利亚科学家成功地 绘制出了银河系中氢气的分布图,并据此发现了新的银河旋臂。(小顺)

Monday, August 28, 2006

kink instability

Figure 12: Sketch of the kink instability mechanism. a: in analogy with an
overtwisted rubber band. b: when the azimuthal field dominates, the instability
is like that of a stack of deformable disks under compression.
Figure 13: Production of a longitudinal field by kink instability. The longitudinal
flow is taken to depend on distance from the jet axis. Initially parallel to
magnetic surfaces, instability forces the flow to cross the displaced field lines.
The differential flow speed stretches the displaced azimuthal field lines along
the axis.

From astro-ph/9602022:
9 Kink instability
In the previous section we found that a predominantly toroidal field develops
outside the Alfv´en surface. In high mass loss flows, it develops also inside the
Alfv´en radius. Consider first the case of a low-μ flow, outside the Alfv´en surface.
Assume that the flow is well collimated, and move into a frame comoving with
the flow. In this frame, we see a toroidal field, slowly decreasing in time by
the expansion of the flow. A predominantly toroidal field, however, is violently
unstable to kink instabilities: such a configuration is equivalent to the linear
pinch (e.g. Roberts 1967, Parker 1979, Bateman 1980). The mechanism of the
instability is illustrated in figure 12. An initially axial, untwisted, magnetic field
is wound up and becomes unstable when the azimuthal becomes larger than the
axial field strength. This is akin to the instability of a twisted rubber band
(figure 12a). Instability sets in when the axial tension vanishes. Denoting by
Bz and Bφ the axial and azimuthal components of the field, the axial component
of the stress is (−B^2_z +B^2_φ)/8π. The first term is the net magnetic tension due to
the axial field, and is stabilizing; it likes to keep field lines straight. The second
term, equal to the magnetic pressure exerted by the azimuthal component, is
positive, expansive. When the pressure becomes larger than the tension, some
of the energy put in by the twisting is released by a kink. Each kink reduces
the number of windings by one, at the expense of increasing the energy in the
axial field by lengthening axial field lines somewhat6.
(6The condition B > Bz can underestimate the degree of instability. A cylindrical field
configuration typically becomes unstable already when it is twisted by more than one full
turn, independent of the distance between the surfaces at which the twist is applied (Kruskal-
Shafranov condition). In our case, this is not relevant, however, because B/Bp increases
with distance in such a way that the number of turns in the field is always less than one at
the point where B first exceeds Bp.
)

The kink instability is a transition to a nearby equilibrium of lower energy,
i.e. the instability saturates at a finite amplitude. This is because the amount of
azimuthal field energy that can be released is finite, while the energy expended
lengthening the the axial field increases indefinitely with the amplitude of the
perturbation. In a predominantly azimuthal field, the instability can also be
visualized as shown in figure 12b. A stack of deformable disks (think of the
disks in your spinal column, for example) is compressed (by the pressure of the
instability has ample time to act as the jet moves outward. The effect of the
instability would be less dramatic close to the Alfv´en radius. Choudhuri and
K¨onigl (1986) have proposed that kink instability near the Alfv´en radius may
be responsible for some of the alignment anomalies seen in jets at the VLBI
scale.
It takes longer than the instability time scale to dissipate the disorganized
field component it produces (this is related to the known slow dissipation of
magnetic helicity, and is seen also in numerical simulations, e.g. Galsgaard 1995).
This dissipation, however, eventually leads to a reduction of the field strength
compared with the standard axisymmetric jet. A second consequence of kink
instability is therefore that the ratio of magnetic to kinetic energy flux in the
jet becomes less than unity (see section 5.5). Since the Alfv´en speed is lower,
the fast mode critical point is closer to the source, perhaps at only a few Alfv´en
radii. Most of the observed jet would then be outside the fast mode point,
and kinetic energy dominated. In short: the jet behaves like a ballistic flow,
like a water jet from a fire hose. This would simplify the magnetic jet picture
considerably: though the acceleration process is intensely magnetic, it would
eventually produce a ballistically moving jet in which magnetic stresses are a
secondary factor as far as the dynamics is concerned.
Some observational evidence for the action of kink instabilities may be the
fact that the magnetic field tends to be parallel to jet axis, at least in the
faster (type II) jets (Bridle and Perley, 1984). If the flow speed along the
jet is not exactly uniform over its cross section, the irregularities in the field
produced by the instability will be stretched along the jet axis, see figure 13.
The strength of this longitudinal field will be comparable to the kinetic energy
of differential velocity across the jet. This field will have many small scale
reversals of direction, explaining why the total poloidal magnetic flux inferred
from observations (which are not sensitive to the direction of the field lines) is
much larger than can be easily accomodated in the accelerating region. These
observational indications can equally be explained by stretching of the field
by interaction with an external medium, but irregularities produced internally
by kinking have the advantage that they will also work in the absence of any
interaction with the surroundings.


From Spruit et al. MNRAS, 1997, 288, 333:

中微子湮灭与Poynting flux模型比较

Drenkhahn 2002, A&A
The initially released energy could leave the central
polluted region by neutrinos which annihilate to a
pair plasma further away (Berezinskii & Prilutskii 1987;
Goodman et al. 1987; Ru ert et al. 1997). But due to the
small cross section of neutrinos the eciency is low and
most of the energy escapes as neutrinos.

A Poynting flux dominating outflow will naturally occur
if the compact object rotates and possesses a magnetic
field. The luminosity will be fed by the rotational energy
reservoir of the central object. Models involving an magnetised
torus around a black hole (Meszaros & Rees 1997)
or a highly magnetised millisecond pulsar (Usov 1992;
Kluzniak & Ruderman 1998; Spruit 1999) would produce
such a rotationally driven Poynting flux. Extraction of energy
from the central object by this magnetic process is
potentially very ecient and fast.

BP过程和磁能耗散

最近读了Spruit等人的文章,他们都提到通过BP过程的离心加速(centrifugal acceleration, magnetic slingshot 磁弹弓)初步加速等离子体形成喷流,然后通过磁能耗散进一步加速喷流。我想我们也可以构造出一个BP+DL+kink instability的模型.

参考文献:
http://cn.arxiv.org/abs/astro-ph?papernum=0302468
http://cn.arxiv.org/abs/astro-ph/0202387

Magnetically powered prompt radiation and flow acceleration in GRB

Authors: H.C. Spruit, G. Drenkhahn
Comments: To appear (in shortened form) in Proceedings "Gamma Ray Bursts in the Afterglow Era, Third Workshop" (Rome, Sept 2002)
The physics of GRB powered by a magnetic energy flux is reviewed. Magnetic fields are natural for transmitting the energy from the central compact object to the small amount of baryons required for a GRB. When dissipation of the flux of magnetic energy by reconnection inside the flow is taken into account, the magnetic model assumes several more convincing properties. For baryon loading typical of observed GRB, most of the dissipation takes place just outside photosphere, so that prompt emission is produced efficiently, and the magnetic field strength in this region is high, resulting in efficient synchrotron emission. Remarkably, the dissipation also causes very efficient acceleration of the bulk flow. This effect is illustrated with a classical hydrodynamic equivalent. In this context, the distinction between the flux of magnetic energy $cB^2/8\pi$ and the Poynting flux $cB^2/4\pi$ is important, and an interpretation of the Poynting flux as a `magnetic enthalpy flux' illuminating. Numerical and analytical results for flow acceleration and the relative contribution of photospheric (thermal) and nonthermal emission as functions of the asymptotic bulk Lorentz factor are given. The transition between X-ray flashes and true GRB is predicted at $\Gamma\approx 100$.

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Synchrotron emission in small scale magnetic field as possible explanation for prompt emission spectra of gamma-ray bursts

Authors: Asaf Pe'er, Bing Zhang
Comments: Extended explanation on alternative emission models, the radiative efficiency and derivation of eq. 2. Minor typos and English corrections; Accepted for publication in Ap.J
Synchrotron emission is believed to be a major radiation mechanism during gamma-ray bursts' (GRBs) prompt emission phase. A significant drawback of this assumption is that the theoretical predicted spectrum, calculated within the framework of the ``internal shocks'' scenario using the standard assumption that the magnetic field maintains a steady value throughout the shocked region, leads to a slope F_\nu \propto \nu^{-1/2} below 100 keV, which is in contradiction to the much harder spectra observed. This is due to the electrons cooling time being much shorter than the dynamical time. In order to overcome this problem, we propose here that the magnetic field created by the internal shocks decays on a length scale much shorter than the comoving width of the plasma. We show that under this assumption synchrotron radiation can reproduce the observed prompt emission spectra of the majority of the bursts. We calculate the required decay length of the magnetic field, and find it to be \~10^4 - 10^5 cm (equivalent to 10^5 - 10^6 skin depths), much shorter than the characteristic comoving width of the plasma, ~3*10^{9} cm. We implement our model to the case of GRB050820A, where a break at <~ 4 keV was observed, and show that this break can be explained by synchrotron self absorption. We discuss the consequences of the small scale magnetic field scenario on current models of magnetic field generation in shock waves.

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