伽馬射線爆發是一種短暫且威力極大的宇宙爆炸，伽馬射線暴（GRB）被認為是大質量恆星坍塌或或超新星或中子星在遙遠星系中合併的結果。伽馬射線暴從最初非常明亮的閃光開始，稱為即時發射，持續時間從零點幾秒到數百秒不等。即時發射伴隨著所謂的餘輝，一種不太明亮但持續時間更長的發射，在廣泛的波長範圍內，隨著時間的推移而褪色。伽馬射線暴190114C的發現，首次測量到最高能量的光子，其研究發現發表在《自然》期刊上。

這一突破性觀測為理解伽馬射線爆發中的物理過程提供了關鍵見解，伽馬射線爆發仍然是神秘的。此次探測到的光子必須來自迄今為止在伽瑪暴餘輝中看不到的過程，明顯不同於已知的導致其在較低能量下發射的物理過程。兩顆空間衛星獨立發現了這一伽瑪射線暴：尼爾·蓋瑞斯·斯威夫特天文台和費米伽瑪射線空間望遠鏡。這一事件被命名為GRB190114C，在22秒內，它在天空中的坐標作為電子警報分發給世界各地的天文學家，包括Magic Collaboration，他操作著位於西班牙拉帕爾馬兩個直徑為17米的切倫科夫望遠鏡。

MAGIC多波長觀測

由於伽瑪暴出現在天空中不可預測的位置，然後迅速褪色，通過望遠鏡進行觀察需要一個專門的後續策略。自動系統實時處理來自衛星儀器的伽馬射線爆發警報，並使望遠鏡迅速指向伽馬射線爆發的天空位置。這些望遠鏡被設計為非常輕，並且能夠快速重新定位：儘管每個望遠鏡的重量為64噸，但它們可以在大約25秒內到達並開始觀察天空中的任何給定位置。MAGIC能夠在伽馬射線爆發開始50秒後開始觀察GRB 190114C。對最初幾十秒結果數據的分析揭示了餘輝中光子發射達到太電子伏(TeV)能量，即比可見光高出一萬億倍的能量。

在此期間，來自GRB190114C的TeV光子發射比已知TeV能量最亮穩定源蟹狀星雲強100倍。通過這種方式，GRB190114C成為已知最亮TeV光子源的創紀錄者。正如對GRB餘輝的預期，發射隨著時間的推移而迅速褪色，類似於在較低能量下已知的餘輝發射。在衛星發出警報幾小時後，經過仔細檢查初步數據，MAGIC望遠鏡觀測團隊首次向國際天文學家宣布了對伽瑪暴中TeV光子的明確檢測。這促進了二十多個觀測站和儀器對GRB 190114C的多波長(MWL)後續觀測廣泛活動，提供了從無線電波段到TeV能量，該伽馬射線暴的完整觀測畫面。

最高能量光子

儘管一些理論研究已經預測了伽馬射線暴餘輝中的太電子伏(TeV)能量發射，但在很長一段時間內，它在觀測上仍然是難以捉摸的，儘管在過去的幾十年中，使用包括MAGIC在內的各種儀器對TeV能量進行了無數次搜索。MAGIC最終探測到TeV光子的產生背後是什麼物理機制？MAGIC合作的副發言人安東尼奧·斯塔梅拉指出：這些能量遠遠高於同步輻射的預期，這是由高能電子在磁場中旋轉引起。這一過程被認為是先前在伽馬射線暴餘輝中較低能量下觀察到的發射原因。這些新的結果，加上非常全面的MWL數據，為餘輝中額外的獨特發射過程提供了第一個明確的證據。

從研究來看，TeV發射最有可能的來源是所謂的逆康普頓過程，即通過與高能電子碰撞，光子群體的能量顯著增加。自從伽馬射線爆發首次被發現50多年後，許多基本方面仍然是神秘的。在電磁光譜新TeV窗口中發現GRB 190114C的伽馬射線發射，表明伽馬射線暴威力比以前想像的更強。通過MAGIC獲得的關於GRB 190114C豐富新數據和廣泛的MWL後續觀測現在提供了重要線索，以解開一些關於伽馬射線暴中物理過程的奧秘。通過MAGIC對之前所有伽馬射線暴後續活動的比較研究表明，GRB 190114C並不是一個特別獨特的事件，成功地探測要歸功於該儀器的出色性能。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1750-x

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