伽马射线暴（简称伽马暴），是迄今为止观测到的宇宙中最剧烈的天体爆发现象。在统计上，伽马暴瞬时辐射的持续时间的分布呈现双峰结构，以两秒为界将其分为长伽马射线暴（长暴）和短伽马射线暴（短暴）。长久以来，通过多波段性质的研究，人们认为这两类暴有着非常不同的物理起源。通常认为长暴是超大质量恒星演化到晚期“死亡”时坍缩的产物，而短暴是由致密双星并合（如中子星-中子星/黑洞并合）所产生。
GRB 200826A 艺术想象图（图片来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-fermi-spots-a-supernova-s-fizzled-gamma-ray-burst/）
然而2006年以来，人们逐渐发现仅依据持续时间的长短来判定伽马暴的物理起源和分类的作法面临诸多挑战。一方面，一些高红移或较弱的长暴，由于仪器的探测灵敏度问题，很可能表现为观测上的短暴，就像只被观测到了“冰山一角”。另一方面，人们发现一些短暴带着长长的“尾巴”，尽管严格按照爆发持续时间定义属于长暴，然而其所有的其他特征（如能量、宿主星系、有无超新星关联等）却符合典型短暴的性质。因此，为了避免上述混淆，科学家们提出，可以用“ I 型”和 “II 型暴”来替换原来长短暴的分类名称。即 I 型暴指由双致密星并合产生的伽马暴（典型为短暴）， II 型暴指由大质量恒星坍缩产生的伽马暴（典型为长暴）。
值得一提的是，对大部分呈现为短时标（如<2 秒）的 ii 型暴，人们始终用观测效应（如仪器灵敏度、冰山效应）来解释其“表象”的短，却不相信大质量恒星的坍缩能够产生一个持续时间非常短的爆发。这是因为伽马暴中心引擎的活动时标是由中心黑洞吸积周围物质所耗费的时间所决定，而后者直接跟大质量恒星的密度有关。在传统的恒星密度下，这一时标典型值为百秒，即使考虑极端情况，理论学家也非常自信的推断ii型伽马暴的爆发时间最短也不会低于十秒。
上述的推断在2020年8月26日迎来了巨大的挑战。当天发生了一例非常特殊的II型伽马射线暴，编号GRB 200826A。37000cm威尼斯张彬彬老师研究小组与合作者对其进行了全面的观测和分析，发现该暴的所有物理特征, 包括宿主星系及其恒星形成率、能量统计关系（图1）、超新星关联等，都表明其为非常典型的来自大质量恒星坍缩的II型伽马暴。然而，此暴持续时间仅有0.96秒，其光变曲线（伽马光子计数随时间的变化曲线，图1）呈现了极强信噪比，意味着以往“冰山一角”的解释不再成为可能。因此，GRB 200826A 是一例非常特殊的爆发时间只有1秒的II型暴。这也是人们首次观测到瞬时辐射时标短于两秒但起源于大质量恒星坍缩的伽马暴。
图一 GRB 200826A 的光变曲线及其Amati关系图。图片来源：Zhang, B.-B., Liu, Z.-K., Peng, Z.-K. et al 2021, Nature Astronomy, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-131126/v1
GRB 200826A的出现挑战了人们关于伽马暴爆发时间及相关物理模型的认知。这一奇异事件的发生再次让人们重新审视伽马暴中心引擎的多样性。在发表于《自然•天文学》的一篇论文[1]中，张彬彬带领研究团队指出了几种可能性：（1）大质量恒星坍缩成黑洞之后伽马暴并没有立即产生，而是等黑洞扫清了周围重子物质之后才产生伽马暴；（2）恒星坍缩之后形成的喷流将大部分时间用在突破抛射物包层，突破之后只有很少的一部分被我们观测到;（3）大质量恒星坍缩后并没有直接形成黑洞，而是先坍缩成大质量磁星，磁星的较差自转通过磁重联过程产生磁泡作为此伽马暴的中心引擎。无论哪种理论解释，都需要将来进一步的观测、数据的检验，以及更多理论细节的支持。而发表在同期的《自然•天文学》另一篇论文[2]中，美国NASA、马里兰大学、加州理工大学等科学家团队通过地面的丰富观测数据，佐证了上述观测的II型暴事实和理论推测。著名天体物理学家Amati同期发表观点评论《To be short or long is not the question》[3]. NASA也在第一时间报道了这一事件，并引述了我院团队的工作和观点[4]。
该项成果以“A Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse”为题，以37000cm威尼斯为第一作者单位和第一通讯单位发表于《自然•天文学》，37000cm威尼斯张彬彬老师和内华达大学张冰老师为该文的通讯作者，37000cm威尼斯研究生刘子科和彭宗开为该论文的共同第一作者，北京大学、河北师范大学、广西大学、云南天文台、西班牙安达卢西亚天体物理研究所、中国科技大学等多位专家学者共同参与了这一研究工作。本工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、江苏省双创人才计划、中央高校基本科研业务费专项资金等多项支持。
文章链接:
Zhang, B.-B., Liu, Z.-K., Peng, Z.-K. et al, A Peculiarly Short-duration Gamma-Ray Burst from Massive Star Core Collapse , Nature Astronomy (2021),
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01395-z
Ahumada, T., et al. Discovery and confirmation of the shortest Gamma Ray Burst with a collapsar. Nature Astronomy (2021), https://www.nature.com/articles/s41550-021-01428-7
Amati, L. To be short or long is not the question. Nature Astronomy (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01401-4
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-fermi-spots-a-supernova-s-fizzled-gamma-ray-burst
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