高红移伽马射线暴EP240315A的软X射线瞬发辐射研究

背景介绍

伽马射线暴（Gamma-Ray Bursts, GRBs）是宇宙中最剧烈的爆炸事件之一，通常持续时间为毫秒到数百秒。长时伽马射线暴（Long GRBs）被认为起源于大质量恒星的核心坍缩，因此它们可以作为研究高红移（High-Redshift）星系中恒星形成历史的重要工具。高红移GRBs（红移z > 4.5）尤为珍贵，因为它们能够帮助我们探测早期宇宙的再电离时期和恒星形成历史。然而，高红移GRBs的探测极为罕见，仅占Swift卫星触发样本的3%左右，且已知红移样本中仅有约10%的红移z > 4.5。

为了进一步研究高红移GRBs的特性，尤其是其软X射线波段的辐射行为，作者团队利用Einstein Probe（EP）卫星上的宽视场X射线望远镜（Wide-Field X-ray Telescope, WXT）对高红移GRB EP240315A进行了详细观测。该研究旨在揭示高红移GRBs在软X射线波段的辐射特性，并探讨其与伽马射线辐射的关系，从而为理解早期宇宙的物理过程提供新的线索。

论文来源

该研究由来自中国科学院的多个研究团队共同完成，主要作者包括Gao He、Zhang Chuang、Chen Yizhong和Wu Xuefeng等。论文于2024年11月21日在线发表于《Nature Astronomy》期刊，题为“Soft X-ray prompt emission from the high-redshift gamma-ray burst EP240315A”。

研究流程与结果

1. 观测与数据获取

研究团队利用Einstein Probe卫星上的WXT在0.5–4 keV波段对EP240315A进行了观测。该GRB于2024年3月15日20:10:44（UTC）被触发，随后Swift卫星的Burst Alert Telescope（BAT）和Konus-Wind仪器通过离线分析也探测到了其明亮的峰值。光学对应体由Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System（ATLAS）在X射线探测后约1.1小时发现，并通过Very Large Telescope（VLT）的光谱观测确认其红移为z = 4.859，证实了其宇宙学起源。

2. 软X射线与伽马射线辐射的比较

WXT的光变曲线显示，EP240315A在软X射线波段的持续时间为1,034 ± 81秒，显著长于其在伽马射线波段的持续时间（约38–41秒）。此外，WXT在伽马射线探测前372秒就触发了软X射线探测，这一提前时间远长于BeppoSAX和HETE-2观测到的GRBs（通常仅为数十秒）。研究团队对WXT的整个瞬发辐射光谱进行了拟合，发现其符合吸收的幂律模型，光子指数为α = −1.4。

3. 多波段联合光谱分析

研究团队对WXT、BAT和Konus-Wind在峰值期间（t0 + 372 s到t0 + 416 s）的联合光谱进行了拟合，发现其宽带光谱（0.5–1,618 keV）可以用截止幂律（Cutoff Power-Law, CPL）模型很好地描述，光子指数为−0.97，峰值能量为283 keV。这一结果表明，EP240315A的X射线辐射与伽马射线辐射具有共同的起源，均来自于中心引擎的内部耗散过程。

4. 后期X射线观测与再增亮现象

在瞬发辐射之后的5.7 ks到7.6 ks以及10.2 ks到13.4 ks期间，WXT探测到了微弱的X射线信号。这些后期X射线观测显示出一个简单的幂律衰减趋势，斜率为−2。此外，EP的后续X射线望远镜（Follow-up X-ray Telescope, FXT）在42小时后开始观测，并在约8天内进行了10次观测，其中前9次观测均探测到了微弱的X射线信号。Chandra X射线天文台也在72小时和10.4天后进行了两次观测，首次观测到的X射线源与FXT在同一时期的探测结果相当，而第二次观测未探测到明显的信号。

5. 多波段余辉拟合

研究团队对EP240315A的多波段余辉数据进行了拟合，发现标准GRB余辉模型能够很好地解释其光学、红外和射电波段的观测数据。然而，WXT在瞬发辐射后期的观测结果显著偏离了余辉模型的预测，表明这些辐射更可能来自于中心引擎的后期活动或长寿命的反向激波。

结论与意义

该研究首次详细揭示了高红移GRB EP240315A在软X射线波段的辐射特性，并发现其在软X射线波段的持续时间显著长于伽马射线波段。这一发现对传统的基于伽马射线观测的中心引擎活动时间尺度提出了挑战，表明软X射线波段可能对探测中心引擎的微弱和软辐射更为敏感。此外，研究团队还观测到了后期X射线的再增亮现象，这可能是中心引擎再激活或复杂喷流结构的离轴观测的结果。

该研究不仅为理解高红移GRBs的物理机制提供了新的线索，还展示了Einstein Probe卫星在探测高红移GRBs方面的巨大潜力。通过其大视场和高灵敏度，EP有望在未来的观测中发现更多高红移GRBs，从而为研究早期宇宙的恒星形成和再电离历史提供重要的观测数据。

研究亮点

1. 首次详细揭示高红移GRB的软X射线辐射特性：研究团队首次通过Einstein Probe卫星的WXT详细观测了高红移GRB EP240315A的软X射线辐射，发现其在软X射线波段的持续时间显著长于伽马射线波段。
2. 多波段联合光谱分析：研究团队对WXT、BAT和Konus-Wind的联合光谱进行了拟合，揭示了EP240315A的X射线与伽马射线辐射的共同起源。
3. 后期X射线再增亮现象的发现：研究团队在瞬发辐射后期观测到了X射线的再增亮现象，这可能是中心引擎再激活或复杂喷流结构的离轴观测的结果。

其他有价值的信息

研究团队还探讨了EP240315A在更高红移（z = 7.5）下的探测能力，发现类似事件在未来可以通过EP-WXT以较高的信噪比（SNR ≥ 7）被探测到。这表明，随着EP的进一步观测，更多高红移GRBs有望被发现，从而为研究早期宇宙的物理过程提供更多的观测数据。