伽瑪射線暴121024A：令科學家困惑的圓形偏振
https://phycat.wordpress.com/2015/05/19/grb-121024a-zirkulare-polarisation/根據目前的標準模型，伽瑪射線暴 (Gamma-Ray Burst, GRB) 源自大質量恆星在其生命終結、塌縮成黑洞時所產生的兩個方向相反的噴流 (jet)。當這些噴流撞擊周圍的星際物質時就會產生餘輝 (afterglow)。測量餘輝的偏振 (polarization) 能夠得知噴流的磁場特性和幾何結構。理論模型預測它們是低線性 (low linear) 和沒有圓形偏振 (circular polarization) 的。
這裡介紹的甚大望遠鏡 (ESO智利) 的測量結果顯示了首個有圓形偏振的伽瑪射線暴餘輝。利用馬克斯．普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) 的GROND儀器的光度測量，排除其他解釋後發現伽瑪射線暴噴流必定產生圓形偏振。這導致令人震驚的推論：餘輝所產生的電子分佈必須是非常各向異性的 (very anisotropic)、或噴流是空心的並包裹在螺旋磁場之內，兩者都與標準模型的一般假設相左。因此我們需要新的模型來解釋伽瑪射線暴餘輝。
重要發現
一個國際研究小組利用一個很少使用的觀測模式的數據得到了關於伽瑪射線暴性質一些新的、意想不到的結論。
這些結果發表於今天的「自然」雜誌 (Nature) 上，當中包括餘輝的輻射機制和最新的理論模型。
這是首次於伽瑪射線暴餘輝中發現所謂的圓形偏振 (見文章末延伸閱讀)。這些測量結果來自歐洲南方天文台 (ESO) 在智利的8.2米VLT 望遠鏡的FORS2儀器。馬克斯．普朗克協會的拉西拉2.2米望遠鏡 (ESO智利) 的GROND所同時測量的結果亦與此一解釋非常吻合。
文章合作作者Jochen Greiner說：「沒有任何伽瑪射線暴餘輝的理論能夠預測圓形偏振。這次測量到明顯的圓形偏振意味著我們對電子在衝擊波裡的加速和噴流的結構與磁場的認識必須大幅修改。」
甚麼是伽瑪射線暴？
伽瑪射線暴是宇宙中最強大的爆炸。通常在人造衛星上的科學實驗每天會偵測到一次這類以秒鐘計的伽瑪射線閃光。傳統認為這些閃光來自遙遠星系的大質量恆星 (約30至50倍太陽質量) 在其生命終結、塌縮變成黑洞的時候。它們塌縮時會產兩束方向相反的噴流並與周圍的星際物質碰撞──即所謂的餘輝碰撞──在一定程度上會於爆炸地點產生餘輝。餘輝在包括可見光內的所有波長上會持續好幾天。電子在衝擊波中會被加速至極高能量，這些電子會以接近光速飛行，在衝擊波的磁場內以同步輻射 (synchrotron radiation) 的方式產生餘輝。
加速過程的細節仍然是個謎。等效的實驗無法在地球上進行，也很難用電腦模擬去研究。因此，研究人員試圖測量來自餘輝的輻射的所有性質──關於偏振的研究亦越來越多。
我們有很多種電子加速和餘輝輻射機制的理論。所有這些模型都預測線性偏振而非圓形偏振。
「我們的合作是世界首個意識到這個困難測量的重要性、並系統地等待著特別合適的 (擁有明亮餘輝的) 伽瑪射線暴的研究，以盡可能低的極限去測量。」這項研究的主要作者、英國萊斯特大學的荷蘭天文學家Klaas Wiersema說。出乎意料之外，我們都測量到比預期更強的圓形偏振。
GROND的觀測結果支持這個理論
在解釋偏振數據之前，特別是在區分不同理論模型的時候，我們需要知道噴流的結構以及伽瑪射線暴周圍環境的資訊，這些訊息都會隨著輻射而來。當中兩個參數尤其重要：
一、在什麼時候能夠看到來自整個噴流的輻射？這可以從噴流物質的膨脹速度與噴流的延展角度的比值來確定。這個時間點的一個經典特徵是伽瑪射線暴的光變曲線的彎曲程度 (圖四)，我們可以參考GROND進行的、直到伽瑪射線暴爆發後3.7×104秒之連續幾個晚上的觀測。
二、有多少塵埃位於我們和伽瑪射線暴的視線之間？這種測量通常很困難，但GROND就是為此而設的：以七個波段同時觀察餘輝就可以測量塵埃量並準確至百分之幾。塵埃會在光譜能量分佈 (spectral energy distribution) 中產生獨特的構造，塵埃量越多構造就越明顯 (見圖五)。
「縱使GROND已經運作七年，它獲得的數據仍是獨一無二的，可以為這些偏振性質提供決定性的解釋。如果沒有這些額外信息，這項工作是不可能完成的，因為我們有成打不同的解釋。」GROND的發明和建造者、加興 (Garching) MPE的Jochen Greiner說。
觀測結果何以解釋？
圓形偏振可有多種成因，包括法拉第轉換 (Faraday conversion，即塵埃散射導致線性偏振變成圓形偏振)、或一直線上的塵埃粒子的多重散射。但所有這些其他解釋都需要比GROND所測定的多很多的塵埃量去解釋圓形偏振，因此都被排除了。其他產生圓形偏振的理論則暗示所有線性偏振都源自散射──從而亦被排除了，因為第一晚與第二晚所觀察到的偏振角度之間相差了九十度。因此，我們可以排除圓形偏振源自伽瑪射線暴噴流以外地點、即圓形偏振只會在伽瑪射線從發射源到地球之間產生的此一解釋。因此相反地，觀測到的圓形偏振一定源自伽瑪射線暴噴流本身。
圓形偏振的這種性質導致一個非常有趣的結論：既然不能在一個電子－正電子電漿中產生圓形偏振，伽瑪射線暴噴流之中必定存在質子－電子電漿。這是非常有趣的結論，因為最近的IceCube實驗並未觀察到來自伽瑪射線暴的中微子 (neutrino)，所以對伽瑪射線暴噴流中存在中微子的懷疑已經漸漸變得強烈。
「在GRB 121024A中發現圓形偏振是新的希望，IceCube實驗在未來仍然可能觀察到期待已久的中微子。」Jochen Greiner說。
GRB 121024A的可見光餘輝的圓形偏振的起源是一個令人興奮的謎題。星際介質衝擊波內的偏振應該與混沌運動的電子的洛倫茲因子 (Lorentz factor) 成反比──假設相對於噴流膨脹方向的電子分佈是各向同性的 (isotropic)。因此，觀察到的強圓形偏振代表極小的電子洛倫茲因子，這與餘輝的標準模型完全不一致。這個結論獨立於磁場的影響範圍 (圖六)，因為隨機分佈的磁場對線性和圓形偏振的影響應該相等。
由GROND的數據和對線性與圓形偏振的同時測量，根據目前所知只能有兩種可能的解釋：
一、電子的角擴散是各向異性的。這也與標準模型的通常假設相違背，但這已經因為伽瑪射線暴的其他未解性質而被提出過，卻從未發現任何觀測證據。
二、噴流是非同質的 (not homogeneous)，但是空心的並包裹在螺旋磁場之內 (圖七)，形狀像一個開瓶器，直徑越轉越闊。過去已經有人提出過中空噴流的可能性，但一直未有任何證據支持。
就目前所知，只有這兩個可能性能夠解釋觀測到的圓形偏振。每種情況都有其無可避免的推論，所以我們必須系統地檢驗各式各樣的觀測結果。因為這個測量，新一輪伽瑪射線暴餘輝標準模型的迭代經已展開，我們可以預期越來越豐富的變化。
「這一發現再次證明了小型望遠鏡對解釋來自大型望遠鏡如VLT, ESO的數據的重要性。」此研究的合作作者兼GROND團隊的成員、圖林根國家天文台 (Landessternwarte Thüringen) 的Sylvio Klose說。
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