首次針對引力透鏡效應的伽馬射線波段觀察

近日一個國際天文學家小組使用美國宇航局的費米空間望遠鏡開展了首次針對引力透鏡效應的伽馬射線波段觀察。引力透鏡是一種當前景方向存在大質量引力體時造成的對後方背景星系光線的扭曲效應。這項最新研究將開啟新的研究領域，包括對超大質量黑洞附近的輻射環境進行探測的嶄新手段。甚至有可能利用獲得的費米望遠鏡觀測數據發現新的引力透鏡效應案例。　　

美國海軍實驗室的天體物理學家，這項研究的第一作者特迪·常(Teddy Cheung)表示：“在費米望遠鏡發射數年之後我們便開始考慮進行這項研究的可行性，最後在2012年年底終於萬事俱備。” 2012年9月份，費米大天區望遠鏡(LAT)設備觀察到從一個伽馬射線源發出一系列明亮的伽馬射線閃光。這個輻射源編號B0218+357，距離約43.5億光年，位於三角座。這些強烈的輻射源位於一個已知的引力透鏡系統內，這樣就為開展觀測提供了有利的條件。天文學家將B0218+357確定為一個耀變體，這是一類活動星系，以其劇烈的輻射以及難以預測的行為而著稱。在耀變體的核心是一個超大質量黑洞，質量可以達到數千億倍太陽質量。隨著物質向黑洞盤旋下落，其中的一部分會被以粒子噴流的形式“反彈”回去，這種粒子噴流的速度可以達到接近光速。之所以在地球上會觀察到耀變體具有極端變化的亮度，是因為當其噴流會偶爾恰好正對地球，此時便會出現極明亮的閃光。　　

在B0218+357發出的光抵達地球之前，它首先經過了一個正面面對地球的漩渦星系，這個星系和銀河系很相像，但距離地球約40億光年。由於這個星系的引力作用，彎曲了來自耀變體的光線，因此天文學家們會觀察到其背後的耀變體形成了兩個分離的像。這兩個像之間間隔僅有約1/3弧秒(小於0.0001弧度)，這是迄今發現引力透鏡系統中最小的張角值。一般的射電望遠鏡和光學望遠鏡都可以對單個的耀變體像進行監視，但費米望遠鏡LAT設備不行。相反，研究組使用了一種被稱作“延遲回放效果”的技術。　　研究組成員，美國宇航局埃姆斯研究中心的天體物理學家傑夫·斯卡格(Jeff Scargle)表示：“其中一條光線行進的路線要比另一條更長一些，因此當我們在一幅圖像中探測到耀變體爆發，我們在數天之後可能會在另一個圖像中再次觀察到這一爆發事件。” 　　

2012年9月份，當那次耀變體爆發讓其成為當時在銀河系之外最明亮的伽馬射線源之時，特迪·常意識到這是一個絕好的機會。他申請到大約一周的LAT設備使用時間，從9月24日一直到10月1日，用於搜尋延遲的“爆發回放”。在近日召開的美國天文學會會議上，特迪·常介紹說，他們的研究組一共探測到三個階段的“爆發回放”，延遲時間為11.46天。　　有趣的是，他們監測到的伽馬射線回放延遲時間比射電望遠鏡報告的時間晚了大約一天。並且儘管在伽馬射線波段，此次爆發事件及其後續的“回放”在亮度上是接近的，但在射電波段兩者之間的亮度相差了大約4倍。天文學家們並不認為伽馬射線輻射來自於耀變體中與射電波段輻射相同的一個區域，因此這兩個波段的輻射可能經歷了不同的傳播路徑，也因此便造成了不同的延遲時間和通過引力透鏡系統時的亮度放大率。研究組成員，瑞典斯德哥爾摩大學的天體物理學家史蒂芬·拉森(Stefan Larsson)表示：“在一天之內，這種爆發能讓這一耀變體在伽馬射線波段增亮10倍，但在可見光和射電波段，這種增亮僅有大約10%左右。這一點顯示發出伽馬射線輻射的區域相對較小，而在較低波段的發射區域則相對發散。” 　　


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因此，相對於低波段光線，引力透鏡星係對於更集中的伽馬射線波段光線的偏折和放大效應要更好一些。對引力透鏡現象的透徹研究對於未來進一步利用這一效應將具有重要意義。科學家們表示，對其它引力透鏡系統中射線與伽馬射線波段不同效應的研究將有助於搞清大 ​​質量黑洞噴流的性質機制並對一些重要的宇宙學參數設定關鍵的限定，如哈勃常數，其描述了宇宙膨脹的速率。美國宇航局的費米伽馬射線空間望遠鏡是在天體物理學和粒子物理學領域的關鍵性設備。該設備由美國宇航局戈達德空間飛行中心負責運作管理，其開發工作由美國宇航局，美國能源部，以及法國，德國，意大利，日本，瑞典等國的相關研究機構共同完成。


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