GRB 970508

GRB 970508

GRB 970508是一次于1997年5月8日21:42 UTC 发生的伽玛射线暴(GRB)。伽玛射线暴是一次伽玛射线的瞬间增强,通常与遥远星系的爆炸相关,放射出电磁波中能量最强的波频:伽玛射线,并且在之后的一段长时间内放射波长较短的“余辉”(X射线、 红外线 、 可见光 、红外线和无线电波)。

GRB 970508是被安装在X射线 天文学 卫星 BeppoSAX上的伽玛射线暴监视系统探测到的。天文学家Mark Metzger断定了GRB 970508的爆发点距离 地球 60亿光年,这是人们第一次量度伽玛射线暴的距离。

这次爆发前,天文学界并没有一致认同伽玛射线暴会在距离地球多远的地方发生。一些学家认为它们发生在 银河系 以内,但因为能量不高而显得暗淡;其他学家则认为它们发生在 宇宙 大尺度距离上,并不发生在银河系内,而且能量极高。尽管伽玛 射线 暴可能有很多种,意味着两种理论可以共存,但是这次量度出来的大距离明确地证明射线暴发生在银河系外。

GRB 970508也是第一个探测到放射无线电波“余辉”的伽玛射线暴。天文学家Dale Frail利用无线电波强度的波动,得以算出其来源膨胀的速度几乎达到 光速 。这提供了有力的证据,证明伽玛射线暴是 相对论 性的爆炸。

发现

第一个伽玛射线暴是在1967年由维拉号人造 卫星 (一系列用于探测太空中核爆的卫星)。第一个被观测到的伽玛射线暴余辉是GRB 970228的X射线余辉,由 BeppoSAX卫星 (一颗 意大利 —荷兰人造卫星,主要任务是研究X射线)发现。

于1997年5月8日21:42 UTC ,BeppoSAX卫星上的伽玛射线监视仪器记录到了一个伽玛射线暴,其时长为15秒。这次爆发也被研究 太阳 的 尤里西斯号 及 康普顿伽玛射线天文台 上的“爆炸及瞬时爆发源实验”探测到,并位于BeppoSAX卫星两个X射线广角相机的拍摄范围内。几个小时以内, BeppoSAX卫星 工作小组就将其位置固定在一个直径大约10角分的误差范围内。

观测

确定好 射线 暴的粗略位置之后,BeppoSAX工作小组成员Enrico Costa联络了 美国国家射电天文台 甚大天线阵的天文学家Dale Frail。Frail在01:30 UTC (发现后4小时内)开始于20厘米波长做观测。Frail在准备观测的时候,联络了正在操作 海尔望远镜 的天文学家Stanislav Djorgovski。Djorgovski马上对照了他的照片与数位 中国空间站工程巡天望远镜 的较老照片,但并没有发现误差范围以外的新信号。Djorgovski在 加州理工学院 的同事对数据进行了更多分析,但也找不到任何新信号。

第二晚,Djorgovski再次观测同一区域。他比较了两晚的图片,但没有 天体 在5月8日至9日明显减弱了光度。Metzger注意到有一颗星体增加了亮度,但他估计那是颗 变星 ,而不是伽玛射线暴。由Jan van Paradijs率领的一个 阿姆斯特丹 研究团队成员Titus Galama和Paul Groot对比了 WIYN望远镜 于8号和威廉· 赫歇尔太空望远镜 于9号所拍摄的照片,同样未能发现在此时段减弱亮度的光源。

发现了此次 射线 暴的X射线余光之后,BeppoSAX团队提供了一个更准确的方位,而Metzger之前以为是变星的星体仍然在这个误差较小的范围内存在。 加州理工学院 团队和阿姆斯特丹的团队均未发布任何有关这颗 天体 的结论。5月10日空间望远镜研究所的霍华德·邦德发布了他的发现,并由之后的 可见光 余光证实。

1997年5月10日晚之11号清晨,Metzger的同事Charles Steidel在凯克天文台录得了该星体的光谱,并将数据交给Metzger。Metzger其后辨认了一组镁和铁的吸收 谱线 ,得出 红移 值为 z = 0.8349 ± 0.0002,表示来自 射线 暴的光线已被大约60亿光年以外的物质吸收。尽管射线暴本身的红移还未被确认,但是我们能够推论射线暴来自更加遥远的地方,因为 吸收光谱 的物质必须处于 地球 与射线源之间。光谱中缺少莱曼α森林,因此限制了红移值 z ≤ 2.3。 芝加哥大学 的Daniel E. Reichart进一步的研究指出 z ≈ 1.09。这是第一次科学家能够量度 伽玛射线 暴的红移卡拉阿托天文台录得了数条 可见光 光谱,波长位于4,300 Å(430 nm)至7,100 Å(710 nm)和3,500 Å (350 nm)至8,000 Å (800 nm),但并未发现发射 谱线 。

GRB 970508被发现后5天,于5月13日,Frail继续用甚大天线阵进行观测。他在 射线 暴处观察波长3.5厘米,并立即探测到强信号。24小时之后,这个信号明显增强,另外他也探测到波长为6厘米和21厘米的信号。这是第一次确认发现了 伽玛射线 暴的 无线电 余光。

之后的一个月内,Frail观测到这个无线电源的亮度各天有着明显的波动,但平均持续上升。不同波长信号的波动并不一致, 普林斯顿大学 的Jeremy Goodman解释这是因为 银河系 中星体间的等离子导致了无线电波的曲折。只有当 放射源 的视直径小于3微角秒,这种无线电亮度的迅速变化才会发生。

特性

在能量范围为40至700keV间运作的BeppoSAX伽玛射线暴检测器录得了(1.85 ± 0.3) × 10erg/cm(1.85 ± 0.3nJ/m)的积分通量,而Wide Field Camera(2–26 keV)测得(0.7 ± 0.1) × 10erg/cm(0.7 ± 0.1 nJ/m)的积分通量。爆发和瞬变源试验设备(BATSE)(20–1000 keV)录得(3.1 ± 0.2) × 10erg/cm(3.1 ± 0.2 nJ/m)的积分通量。

爆发后大约5小时,该 天体 在U频(光谱的 紫外线 区域)的 视星等 为20.3 ± 0.3,在R频(光谱的红色区域)为21.2 ± 0.1。首次探测到爆发后大约两天,余光在两个光谱区域达到亮度顶峰值,U频的19.6 ± 0.3于5月11日02:13 UTC ,和R频的19.8 ± 0.2于5月10日20:55 UTC。

在基特峰国立天文台的天文学家James E. Rhoads分析了 射线 暴,并发现它的辐射的方向性不强。Frail和他的同事进行进一步的分析,算出爆发放出的总能量约为5×10ergs(5×10J),而Rhoads得出伽玛射线的总能量约为3×10erg(3×10J)。这表示此次爆发的伽玛射线与喷射物的动能相当,因此可以排除任何不能有效制造伽玛射线的射线暴模型。

距离尺度

这次爆发之前,天文学家对伽玛射线暴的距离并没有一致的观念。尽管爆发的均向性表示他们并不在 银河系 平面上发生,一些天文学家提出这些 射线 暴在银河系的扁球体内发生,而其亮度不高是因为放射的能量不高。也有人认为射线暴发生在物理宇宙学范围内的其他 星系 中,它们能被探测到是因为能量极高。所量度的距离和计算出来的射线暴释放的总能量都支持后者理论,一场争论就此结束。

整个5月, 无线电 讯号的波动逐渐消失。这表示自从探测到爆发之后,这无线电源显著地扩大了。利用已知的距离和波动消失的时间,Frail算出无线电源几乎以 光速 膨胀。现有的模型已经包括了以 相对论 速度膨胀的可能性,但这是第一次有强烈的证据支持这一理论。

主星系

GRB 970508的余光在爆发被探测之后19.82天后达到顶峰亮度值,并其后以 幂定律 斜度减弱超过100天。余光最终消失,显示出其寄主:一个不断制造 恒星 的 矮星系 , 视星等 为 V = 25.4 ± 0.15。这个 星系 符合扁率为0.70 ± 0.07的指数盘。GRB 970508 可见光 余光的 红移 为 z = 0.835,与主星系 z = 0.83的红移值相符,表示与过去观测的 射线 暴有所不同,GRB 970508可能和一个活动星系核相关。