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美國國家航空航天局如何追逐和研究明亮的宇宙光點
发布时间：2025-11-02 19:10:54 来源：德州pa扒雞網 作者：德宏傣族景頗族自治州
天文學家認為長GRB（伽馬射線爆發）源於一顆巨大的快速旋轉的恒星，當其核心耗盡燃料並坍縮時，在恒星中心形成了一個黑洞。在這位藝術家的概念中，兩股噴流從垂死的恒星中出現，並與周圍的氣體和塵埃相互作用。圖片：uux.cn/美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心概念圖像實驗室
（神秘的地球uux.cn）據美國宇航局（伊麗莎白·蘭道）：2022年10月9日，斯蒂芬·萊薩奇的手機在中場休息後開始震動，當時他正在亞特蘭大和一位朋友觀看一場足球比賽。當Lesage看到收到的信息時，這場比賽似乎不再重要了。發生了一次罕見的宇宙事件，他需要立即使用電腦。
美國國家航空航天局的費米伽馬射線衛星和尼爾·蓋爾斯·斯威夫特天文台在太空中發現了異常明亮的信號，並向科學家發出了自動警報。當科學家們協調他們的後續策略時，Lesage團隊的費米聊天頻道亮起了消息。
“那個小組的每個人都覺得，‘這太瘋狂了！誰負責分析這個？阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的研究生萊塞吉回憶道。“該走了！”
這一不尋常的事件被證明是自文明開始以來X射線和伽馬射線能量最強的一次宇宙爆發。天文學家稱它為“有史以來最亮的船”萊薩奇領導了一項對費米數據的分析，證明了這艘船到底有多亮。超過150架太空和地球上的望遠鏡跟進以獲得事件的更多細節，包括美國國家航空航天局的IXPE（成像X射線偏振探測器）、哈勃太空望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，以及歐洲航天局的XMM-Newton望遠鏡。
宇宙正在變化
這艘船是天文學家稱之為時域和多信息天文學的一個例子。“時域”部分指的是宇宙中發生的事件，望遠鏡可以在它們展開時觀察到，例如超新星或兩顆中子星的合並。“多信使天文學”是指從宇宙中傳遞信息的各種“信使”，包括所有形式的光、高能粒子和時空中稱為引力波的波紋。
雖然宇宙看起來變化極其緩慢，曆經數百萬甚至數十億年，但它的天體居住者有時確實會在幾天甚至幾分之一秒內產生巨大變化。當中央黑洞吞噬物質時，星係中心變亮。黑洞從附近的恒星中吸取等離子體。恒星爆炸。中子星與黑洞碰撞，中子星與中子星碰撞，黑洞與黑洞合並。即使是遙遠的天體碰撞也會發出強大的漣漪，可以被天基和地基望遠鏡和儀器探測到。這些現象中的許多在下一次可能發生的時間和地點方麵都是不可預測的。
美國國家航空航天局有兩顆寬視野的“看門狗”衛星，當它們探測到伽馬射線突然變亮時會發出警報:費米衛星和雨燕衛星。費米的伽馬射線爆發監視器和大麵積望遠鏡以及斯威夫特的爆發警報望遠鏡是可能最先觀察到這些事件的關鍵儀器。
“當一些衝動的事情發生時，當一些東西爆炸或崩潰時，它們就會觸發，”瓦萊麗·康諾頓說，她在華盛頓州美國國家航空航天局總部的天體物理學部門領導高能天體物理學投資組合和時域及多信息天文學倡議。
一旦科學家在他們的電腦和手機上收到警報，他們就可以與其他望遠鏡合作跟進事件。通過使用各種不同的天基天文台和儀器來研究這些基本上不可預測的閃光，科學家們可以拚湊出他們在通常平靜的太空中觀察到的“回光返照”的內容、地點、時間和原因。
在比較了眾多望遠鏡對這艘船的觀測結果後，科學家們確定這一異常明亮的爆發來自超新星，特別是一顆快速旋轉的大質量恒星的核心坍塌。後來，根據美國國家航空航天局“新星”任務的數據，科學家發現爆炸恒星噴射出的物質形狀比他們最初想象的更複雜。
“一顆巨星剛剛爆炸，我們開始研究它，弄清楚發生了什麽，並對碎片進行逆向工程，然後將其重新組裝起來，”萊薩奇說。
時域天文學讓我們獲得關於宇宙性質、基礎物理學本身以及元素起源的基本答案。"
埃裏克·伯恩斯
路易斯安那州立大學天體物理學家
新的光明信號
就在這艘船五個月後，科學家們收到了費米發出的關於過去50年中第二亮的伽馬射線爆發的警報。這個較新的信號，GRB 230307A，發生在2023年3月，加入了該船的“長”伽馬射線爆發類別，持續200秒，而該船為600秒。借助美國國家航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的紅外數據，科學家們確定GRB 230307A可能有一個非常不同的起源:距離地球約10億光年的兩顆中子星合並。更重要的是，韋伯探測到了稀有元素碲，這表明中子星合並會產生像這樣的重元素。
這個結果仍然困擾著天文學家，比如GRB 230307A論文的合著者、路易斯安那州立大學費米小組成員埃裏克·伯恩斯。合並的中子星不應該產生這麽長的伽馬射線爆發，目前的原子物理學模型也不能完全解釋韋伯探測到的中紅外波長。他希望韋伯能在未來幾年幫助我們更多地了解這類事件。
“時域天文學讓我們獲得了關於宇宙屬性、基礎物理學本身以及元素起源的基本答案，”伯恩斯說。
這張來自美國國家航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡NIRCam（近紅外相機）儀器的圖像突出顯示了伽馬射線暴（GRB）230307 a及其相關的基洛諾瓦星係，以及它以前的主星係，以及它們周圍的其他星係和前景恒星。GRB號很可能是由兩顆中子星合並而成的。中子星被踢出了它們的主星係，行進了大約12萬光年的距離，大約相當於銀河係的直徑，幾億年後最終合並在一起。圖片：uux.cn/美國國家航空航天局、歐空局、加空局、加拿大空間科學研究所、A. Levan（拉德布德大學和華威大學）
眾多的信使
與轉瞬即逝的宇宙光點有關的宇宙“信使”也有助於科學家重建它們的起源。激光幹涉引力波天文台LIGO在2015年首次發現了引力波，表明可以用一種全新的方式觀察宇宙，並開創了一個可能使用多個信使研究宇宙中突發現象的新時代。
2017年，科學家們通過將引力波觀測與許多不同的地麵和天基天文台的數據相結合來研究一種名為GW170817的基洛諾瓦或中子星合並，從而證明了這種潛力。他說，在對這顆基洛諾娃的廣泛研究中，伯恩斯和同事利用它首次精確測量了重力速度，“這是對愛因斯坦預測的最後一次重大證實”。
今天，由美國國家科學基金會（NSF）支持的LIGO、歐洲的處女座和日本的KAGRA組成的網絡正在尋找引力波事件。
這個動畫展示了2017年探測到中子星合並後的九天內發生的事情。首先，一對發光的藍色中子星迅速相互靠近，並伴隨著明亮的閃光融合在一起。合並產生了引力波（顯示為向外蕩漾的蒼白弧線），產生伽馬射線的近光速射流（顯示為棕色錐體和從碰撞中心爆發的快速移動的洋紅色輝光），以及爆炸中心周圍不斷膨脹的環形藍色碎片。各種顏色代表了基洛諾瓦產生的光的波長，在碰撞的上方和下方產生了紫色到藍白色到紅色的爆發。在這幅圖中，注定要毀滅的中子星旋轉著走向滅亡。引力波會消耗軌道能量，導致恒星相互靠近並合並。當它們碰撞時，一些碎片以接近光速的粒子射流爆炸，產生短暫的伽馬射線爆發。圖片：uux.cn/美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心/概念圖像實驗室
光是唯一一種來自宇宙的“信使”，被探測到的船和伽馬射線爆發似乎都產生了碲。在國家科學基金會的支持下，南極附近進行了一項名為“冰立方”的實驗，尋找來自與每次事件相同的天空區域的高能中微子，但沒有發現任何高能中微子。然而，缺乏觀測到的中微子有助於科學家限製這些事件如何展開的可能性。
路易斯安那州立大學的天體物理學家兼助理教授Michela Negro說:“即使你沒有探測到，這種多信息方法也很重要。”“這確實有助於排除一些情況，此外，當我們檢測到新情況時，它還會告訴我們一些新情況。”
光明的未來
對於正在寫關於船的論文的Lesage來說，時域和多信息天文學是一個令人興奮的研究領域。這艘船本身仍然讓他和其他天文學家忙碌著，因為他們正在觀察這一極端事件異常明亮的光線所揭示的所有過程。但是更多的瞬時事件肯定會到來，這將使科學家們保持警覺，因為他們用各種各樣的望遠鏡和儀器追趕它們。
“這隻是短暫的事件-現在看，否則你會錯過它，”萊薩奇說。“盡可能快地尋找。“
該動畫捕捉了2017年8月17日探測到的名為GW170817的中子星合並後九天內觀察到的現象。它們包括引力波（蒼白的弧線）、產生伽馬射線的近光速噴流（洋紅色）、產生紫外線（紫色）、光學和紅外線（藍白色到紅色）發射的基洛諾瓦膨脹碎片，以及一旦噴流從地球擴展到我們的視野中，X射線（藍色）。圖片：uux.cn/美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心/概念圖像實驗室
在接下來的幾年裏，美國國家航空航天局將發射新的“觀察者”衛星，幫助監測類似這樣的突發事件。它們包括幾個立方體衛星，這是一類小型化航天器，由邊長約4英寸（10厘米）的立方體標準化單元製成:
1.BurstCube於2024年3月發射，用於監測伽馬射線信號2.BlackCat將於2025年發射，用於探測X射線光3.“星爆”將於2027年發射，用於監測伽馬射線信號
國際夥伴關係也涉及這種科學:
1.ULTRASAT（紫外線瞬態天文衛星）是以色列航天局和魏茨曼科學研究所的一顆小型衛星，具有專門研究紫外線的寬視野，美國國家航空航天局作出了貢獻。預計2026年發射。
2.歐空局的LISA（激光幹涉儀空間天線）任務有美國國家航空航天局的貢獻，這將是首次從太空中探測到引力波。預計將於2030年代發射。
此外，具有其他主要目標的美國國家航空航天局望遠鏡可以幫助尋找這些不尋常的事件:
1.在前往富含金屬的小行星Psyche的途中，Psyche有一個伽馬射線光譜儀，天文學家可以用它在未來幾年內向其目的地巡航時探測伽馬射線爆發。
2.WISE以紅外波長繪製了天空地圖，發現了許多新的遙遠物體和宇宙現象。重新使用WISE望遠鏡的NEOWISE任務調查近地空間中潛在的危險小行星。
3.美國國家航空航天局的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡是一個紅外天文台，將揭示長期以來的暗能量之謎並發現數千顆係外行星，該望遠鏡旨在擁有廣闊的天空視野，無疑將拾取瞬態紅外信號。該天文台將進行幾次調查以尋找這些現象，該任務將支持許多團隊研究從變星、黑洞的誕生和活躍星係等相關主題。Roman計劃於2027年5月發射，還將提供有關其發現的天空變化的警報。
4.近地天體探測器任務將使用紅外探測器擴大對可能對地球構成威脅的小行星和彗星的搜索範圍。近地天體探測器拍攝的圖像也有望捕捉到更多遙遠的背景物體。
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