本文摘要：12月8日，南京大學天文與空間科學學院張彬彬教授研究團隊領銜在全球頂級科研期刊《Nature》上發表論文Along-duratio gamma-ray burst with a peculiar origin。南京大學天文與空間科學學院博士研究生楊俊為本文的第一作者。截至目前，南京大學今年在國際頂級學術期刊《
12月8日，南京大學天文與空間科學學院張彬彬教授研究團隊領銜在全球頂級科研期刊《Nature》上發表論文“Along-duratio gamma-ray burst with a peculiar origin”。南京大學天文與空間科學學院博士研究生楊俊為本文的第一作者。截至目前，南京大學今年在國際頂級學術期刊《Nature》和《Science》上發表的成果已達12篇!
太陽一秒鐘釋放的能量有多大?大概可供人類使用幾十萬年。自宇宙誕生以來，有一類天體事件居然可以在一秒鐘釋放出太陽畢生的能量總和，它就是最猛烈的天體爆發現象—伽馬射線暴(英文為gamma-ray burst，簡稱GRB)。
張彬彬教授團隊發現了一例觀測上具有特殊意義的伽馬射線暴GRB 211211A，通過詳盡的數據分析得出這一長伽馬暴與千新星成協的證據，并原創性地提出了這一事件背后的特殊物理起源，指出其前身星可能為中子星-白矮星并合系統。
伽馬射線暴是來自宇宙深處的一種伽馬射線輻射突然增強并快速衰減的爆發現象。自1967年被人類首次發現以來，伽馬射線暴的觀測樣本已有近萬個。通過對這些大樣本的統計，人們發現，伽馬射線暴的持續時間覆蓋了從數毫秒到數千秒的范圍，其分布以兩秒為界呈現出顯著的雙峰結構。因此伽馬射線暴被分為短暴和長暴，其典型持續時間分別在0.5秒和25秒左右。
長短暴的物理起源一直是天文學家爭論的焦點。長期以來天文學家推斷二者有著截然不同的物理起源：長暴是大質量恒星演化到末期核坍縮時的產物，伴隨著超新星爆發;短暴起源于致密雙星并合(即中子星-中子星、或中子星-黑洞的并合)，伴隨一種名為千新星的熱暫現源。上述觀點也在恒星演化和能源機制等理論方面得到支持，例如：對于一個由吸積驅動的伽馬暴“中心引擎”來說，其持續時間本質上可由前身星被吸積物質的密度來決定。這一密度決定了吸積過程的持續時間，進而可與伽馬暴的持續時間(即伽馬暴“中心引擎”活動時間)關聯起來。根據這一關系，可推算出大質量恒星和中子星的密度所對應的吸積時間恰好與長暴和短暴的典型持續時間相符。在觀測方面，天文學家對長短暴物理起源的證實卻歷經了數十年。盡管二十世紀九十年代末，天文學家已經在長暴的光學余輝中發現了超新星爆發的特征譜線，證實了長暴的核坍縮起源，但直到2017年8月17日，天文學家對雙中子星并合引力波事件GW170817以及短暴GRB 170817A的聯合探測才正式建立起短暴和雙中子星并合的關聯性，同時證實了后隨千新星的存在。至此，有關伽馬射線暴兩種物理起源，特別是短暴與千新星的關聯性似已塵埃落定。
然而，在已知中發掘未知、在常例中尋找特例、在模式中引領創新，這向來是基礎學科，特別是天文科研工作者的“行事風格”，對伽馬射線暴的特殊物理起源的研究亦不例外。南京大學張彬彬教授研究團隊多年來致力于伽馬射線暴的產生機制和物理起源的研究，取得了多項突破性成果。近年來，通過對引力波伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Communications)、三胞胎伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Astronomy)、坍縮星起源短伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2021, Nature Astronomy)等特殊伽馬暴事件的研究，該團隊不斷地推進了人們關于伽馬暴特殊物理起源和物理分類的認知。近日，該團隊發表于《Nature》期刊的論文揭示了一例特殊物理起源的長伽馬射線暴事件，進一步證明了伽馬暴起源的多樣性，彰顯“特殊”這一關鍵字在基礎科學發現上的獨特魅力。
這一特殊的伽馬暴事件編號為GRB 211211A。其獨特之處在于，它雖是一個長暴，卻與千新星有明確的關聯。該研究團隊首先對它的瞬時輻射數據做了詳盡的分析，發現它的光變曲線由一個13秒的主要爆發階段和一個55秒的延展輻射階段組成。其延展輻射特征與以往的“尾巴輻射”明顯不同，呈現顯著的高能輻射且能譜峰值能量遠高于硬X射線的能量范圍。這就意味著，人們無法像以前一樣通過“冰山效應”將其解釋為內秉的短暴，只能將其確定無疑地歸類為長暴。然而，這一伽馬暴的其它瞬時輻射特征、宿主星系特征和超新星缺失都與典型長暴的特征不符，卻出奇地與致密星并合起源的短暴高度一致。南京大學張彬彬教授研究團隊通過多波段觀測數據尋找到了千新星輻射存在的證據，從而一錘定音地確定了GRB 211211A的并合起源。這是首次發現爆發時間遠超短暴典型時間的致密星并合起源的長伽馬暴，也是首次發現來自長暴的千新星。
GRB 211211A獨一無二的觀測特征挑戰了科學家們對伽馬射線暴前身星系統和中心引擎模型的認知。首先，超新星缺失可以直接排除此暴起源于大質量恒星核坍縮的可能性;其次，主要爆發階段的13秒時長超過了統計上短暴持續時間的上限(9秒)，而理論上中子星-中子星/黑洞并合所提供的中心引擎吸積時標也很難達到如此長的時間。該研究團隊進一步指出，現有的前身星模型都無法解釋此暴獨特的觀測特征。因此，為解釋該持續時間，研究者必須要提出一種新的前身星模型，其前身星系統必須包含密度低于中子星物質密度的致密天體，方可滿足中心引擎的吸積時標達到數十秒的要求。此外，這一系統也必須產生足夠的中子物質來支持千新星的產生。基于上述分析，新的前身星系統已彰明較著，即白矮星-中子星并合系統。該研究團隊認為，白矮星-中子星并合之后產生了一個快速自轉、高度磁化的中子星，即磁星。磁星的旋轉能和磁能驅動了55秒的延展輻射和數千秒的X射線平臺輻射，并為千新星提供了額外的能量注入。該研究團隊首次提出這一方案來解釋GRB 211211A，并指出其能夠自洽且完整地符合該暴的所有觀測特征。未來的低頻引力波探測器有望證實這種前身星系統的存在。圖3形象地展示了上述模型產生的這一特殊的伽馬射線暴。
該項成果以南京大學為第一作者單位和第一通訊單位，于北京時間2022年12月8日發表在《自然》期刊。南京大學天文與空間科學學院博士研究生楊俊為本文的第一作者。南京大學張彬彬教授和內華達大學張冰教授為該論文的通訊作者。作為主力參與模型構建和數據分析工作的合作者包括內華達大學拉斯維加斯分校的博士研究生艾舜軻、南京大學天文與空間科學學院張彬彬研究團隊的碩士研究生劉子科、博士研究生王翔煜、博士研究生楊雨涵，以及研究團隊成員南大物理學院本科生尹一涵。中國科學院紫金山天文臺李曄博士及廣西大學物理科學與工程技術學院呂候軍教授共同參與了這一研究工作。本工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國空間站項目、江蘇省自然科學基金、江蘇省雙創計劃、國家“雙一流”建設經費等支持。
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