厲害了!985博士生，一作發(fā)Nature!

　　12月8日，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院張彬彬教授研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜在全球頂級(jí)科研期刊《Nature》上發(fā)表論文“Along-duratio gamma-ray burst with a peculiar origin”。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院博士研究生楊俊為本文的第一作者。截至目前，南京大學(xué)今年在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》和《Science》上發(fā)表的成果已達(dá)12篇!

　　太陽(yáng)一秒鐘釋放的能量有多大?大概可供人類使用幾十萬(wàn)年。自宇宙誕生以來(lái)，有一類天體事件居然可以在一秒鐘釋放出太陽(yáng)畢生的能量總和，它就是最猛烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象—伽馬射線暴(英文為gamma-ray burst，簡(jiǎn)稱GRB)。

　　張彬彬教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一例觀測(cè)上具有特殊意義的伽馬射線暴GRB 211211A，通過(guò)詳盡的數(shù)據(jù)分析得出這一長(zhǎng)伽馬暴與千新星成協(xié)的證據(jù)，并原創(chuàng)性地提出了這一事件背后的特殊物理起源，指出其前身星可能為中子星-白矮星并合系統(tǒng)。

　　伽馬射線暴是來(lái)自宇宙深處的一種伽馬射線輻射突然增強(qiáng)并快速衰減的爆發(fā)現(xiàn)象。自1967年被人類首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，伽馬射線暴的觀測(cè)樣本已有近萬(wàn)個(gè)。通過(guò)對(duì)這些大樣本的統(tǒng)計(jì)，人們發(fā)現(xiàn)，伽馬射線暴的持續(xù)時(shí)間覆蓋了從數(shù)毫秒到數(shù)千秒的范圍，其分布以兩秒為界呈現(xiàn)出顯著的雙峰結(jié)構(gòu)。因此伽馬射線暴被分為短暴和長(zhǎng)暴，其典型持續(xù)時(shí)間分別在0.5秒和25秒左右。

　　長(zhǎng)短暴的物理起源一直是天文學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)天文學(xué)家推斷二者有著截然不同的物理起源：長(zhǎng)暴是大質(zhì)量恒星演化到末期核坍縮時(shí)的產(chǎn)物，伴隨著超新星爆發(fā);短暴起源于致密雙星并合(即中子星-中子星、或中子星-黑洞的并合)，伴隨一種名為千新星的熱暫現(xiàn)源。上述觀點(diǎn)也在恒星演化和能源機(jī)制等理論方面得到支持，例如：對(duì)于一個(gè)由吸積驅(qū)動(dòng)的伽馬暴“中心引擎”來(lái)說(shuō)，其持續(xù)時(shí)間本質(zhì)上可由前身星被吸積物質(zhì)的密度來(lái)決定。這一密度決定了吸積過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而可與伽馬暴的持續(xù)時(shí)間(即伽馬暴“中心引擎”活動(dòng)時(shí)間)關(guān)聯(lián)起來(lái)。根據(jù)這一關(guān)系，可推算出大質(zhì)量恒星和中子星的密度所對(duì)應(yīng)的吸積時(shí)間恰好與長(zhǎng)暴和短暴的典型持續(xù)時(shí)間相符。在觀測(cè)方面，天文學(xué)家對(duì)長(zhǎng)短暴物理起源的證實(shí)卻歷經(jīng)了數(shù)十年。盡管二十世紀(jì)九十年代末，天文學(xué)家已經(jīng)在長(zhǎng)暴的光學(xué)余輝中發(fā)現(xiàn)了超新星爆發(fā)的特征譜線，證實(shí)了長(zhǎng)暴的核坍縮起源，但直到2017年8月17日，天文學(xué)家對(duì)雙中子星并合引力波事件GW170817以及短暴GRB 170817A的聯(lián)合探測(cè)才正式建立起短暴和雙中子星并合的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)證實(shí)了后隨千新星的存在。至此，有關(guān)伽馬射線暴兩種物理起源，特別是短暴與千新星的關(guān)聯(lián)性似已塵埃落定。

　　然而，在已知中發(fā)掘未知、在常例中尋找特例、在模式中引領(lǐng)創(chuàng)新，這向來(lái)是基礎(chǔ)學(xué)科，特別是天文科研工作者的“行事風(fēng)格”，對(duì)伽馬射線暴的特殊物理起源的研究亦不例外。南京大學(xué)張彬彬教授研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于伽馬射線暴的產(chǎn)生機(jī)制和物理起源的研究，取得了多項(xiàng)突破性成果。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)引力波伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Communications)、三胞胎伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2018, Nature Astronomy)、坍縮星起源短伽馬暴(Zhang, B.-B. et al. 2021, Nature Astronomy)等特殊伽馬暴事件的研究，該團(tuán)隊(duì)不斷地推進(jìn)了人們關(guān)于伽馬暴特殊物理起源和物理分類的認(rèn)知。近日，該團(tuán)隊(duì)發(fā)表于《Nature》期刊的論文揭示了一例特殊物理起源的長(zhǎng)伽馬射線暴事件，進(jìn)一步證明了伽馬暴起源的多樣性，彰顯“特殊”這一關(guān)鍵字在基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)上的獨(dú)特魅力。

　　這一特殊的伽馬暴事件編號(hào)為GRB 211211A。其獨(dú)特之處在于，它雖是一個(gè)長(zhǎng)暴，卻與千新星有明確的關(guān)聯(lián)。該研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)它的瞬時(shí)輻射數(shù)據(jù)做了詳盡的分析，發(fā)現(xiàn)它的光變曲線由一個(gè)13秒的主要爆發(fā)階段和一個(gè)55秒的延展輻射階段組成。其延展輻射特征與以往的“尾巴輻射”明顯不同，呈現(xiàn)顯著的高能輻射且能譜峰值能量遠(yuǎn)高于硬X射線的能量范圍。這就意味著，人們無(wú)法像以前一樣通過(guò)“冰山效應(yīng)”將其解釋為內(nèi)秉的短暴，只能將其確定無(wú)疑地歸類為長(zhǎng)暴。然而，這一伽馬暴的其它瞬時(shí)輻射特征、宿主星系特征和超新星缺失都與典型長(zhǎng)暴的特征不符，卻出奇地與致密星并合起源的短暴高度一致。南京大學(xué)張彬彬教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)尋找到了千新星輻射存在的證據(jù)，從而一錘定音地確定了GRB 211211A的并合起源。這是首次發(fā)現(xiàn)爆發(fā)時(shí)間遠(yuǎn)超短暴典型時(shí)間的致密星并合起源的長(zhǎng)伽馬暴，也是首次發(fā)現(xiàn)來(lái)自長(zhǎng)暴的千新星。

　　GRB 211211A獨(dú)一無(wú)二的觀測(cè)特征挑戰(zhàn)了科學(xué)家們對(duì)伽馬射線暴前身星系統(tǒng)和中心引擎模型的認(rèn)知。首先，超新星缺失可以直接排除此暴起源于大質(zhì)量恒星核坍縮的可能性;其次，主要爆發(fā)階段的13秒時(shí)長(zhǎng)超過(guò)了統(tǒng)計(jì)上短暴持續(xù)時(shí)間的上限(9秒)，而理論上中子星-中子星/黑洞并合所提供的中心引擎吸積時(shí)標(biāo)也很難達(dá)到如此長(zhǎng)的時(shí)間。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出，現(xiàn)有的前身星模型都無(wú)法解釋此暴獨(dú)特的觀測(cè)特征。因此，為解釋該持續(xù)時(shí)間，研究者必須要提出一種新的前身星模型，其前身星系統(tǒng)必須包含密度低于中子星物質(zhì)密度的致密天體，方可滿足中心引擎的吸積時(shí)標(biāo)達(dá)到數(shù)十秒的要求。此外，這一系統(tǒng)也必須產(chǎn)生足夠的中子物質(zhì)來(lái)支持千新星的產(chǎn)生�；�于上述分析，新的前身星系統(tǒng)已彰明較著，即白矮星-中子星并合系統(tǒng)。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，白矮星-中子星并合之后產(chǎn)生了一個(gè)快速自轉(zhuǎn)、高度磁化的中子星，即磁星。磁星的旋轉(zhuǎn)能和磁能驅(qū)動(dòng)了55秒的延展輻射和數(shù)千秒的X射線平臺(tái)輻射，并為千新星提供了額外的能量注入。該研究團(tuán)隊(duì)首次提出這一方案來(lái)解釋GRB 211211A，并指出其能夠自洽且完整地符合該暴的所有觀測(cè)特征。未來(lái)的低頻引力波探測(cè)器有望證實(shí)這種前身星系統(tǒng)的存在。圖3形象地展示了上述模型產(chǎn)生的這一特殊的伽馬射線暴。

　　該項(xiàng)成果以南京大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位，于北京時(shí)間2022年12月8日發(fā)表在《自然》期刊。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院博士研究生楊俊為本文的第一作者。南京大學(xué)張彬彬教授和內(nèi)華達(dá)大學(xué)張冰教授為該論文的通訊作者。作為主力參與模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析工作的合作者包括內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的博士研究生艾舜軻、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院張彬彬研究團(tuán)隊(duì)的碩士研究生劉子科、博士研究生王翔煜、博士研究生楊雨涵，以及研究團(tuán)隊(duì)成員南大物理學(xué)院本科生尹一涵。中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)李曄博士及廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院呂候軍教授共同參與了這一研究工作。本工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)空間站項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃、國(guó)家“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)等支持。

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