中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2020年8月11日

伽瑪射線爆發是源自於緻密天體合併或大質量恆星塌縮產生的超大能量爆發。目前伽瑪射線爆發生成機制的主要理論模型中，爆炸時釋放的巨大能量以噴流的形式噴發。其中，伽瑪射線爆發的孤兒餘輝（Orphan Afterglow）是此模型預測的事件之一，找到孤兒餘輝不僅有助於噴流結構的分析，也是證明噴流模型的有力證據。然而，目前仍無確切證據斷定孤兒餘輝的存在。

『孤兒餘輝的成因』

噴流模型預測伽瑪射線爆發初期會產生速度快、能量高且輻射張角小的噴流，主要輻射為高能量的伽瑪射線；當噴流繼續往外碰到星際介質後速度趨緩、能量降低，輻射張角逐漸變大，此時的輻射將移至較低能量的X射線、可見光、以及電波波段，稱為餘輝。同時，噴流模型也預測，若伽瑪射線爆發噴流的指向方向未朝向地球時，將無法偵測到噴流中的高能量伽瑪射線輻射，而僅能從噴流側邊偵測到張角變大時產生較低能量之餘輝輻射。目前天文學家研究的伽瑪射線爆發皆透過高能衛星的定位而進行多波段的研究，而這類沒有伽瑪射線輻射定位的伽瑪射線爆發，只有微弱的低能量餘輝，如同孤兒般存在於宇宙中，因此這類伽瑪射線爆發的輻射稱作『孤兒餘輝』。

『孤兒餘輝的重要性』

噴流模型是目前解釋伽瑪射線爆發輻射的主流模型，大部分的伽瑪射線爆發及多波段餘輝特性皆符合噴流模型的預測。然而約有20% 的伽瑪射線爆發其Ｘ射線與可見光的餘輝特性與噴流模型的預測有極大差異，天文學家認為可能有其他輻射機制造成噴流模型無法解釋觀測到的餘輝特性，或是噴流模型並不適用在伽瑪射線爆發。為解開伽瑪射線爆發真正的輻射機制來源，噴流模型預測的『孤兒餘輝』就成為主要線索。若找到孤兒餘輝，則可證明噴流模型，也可以透過孤兒餘輝的特性研究伽瑪射線爆發噴流的機制。若孤兒餘輝不存在，則天文學家需要重新思考解釋伽瑪射線爆發的輻射機制。中央研究院天文及天文物理研究所副研究員淺田圭一強調：『了解不同天體產生的噴流相當重要。事實上，第一個微中子的電磁波對應體與耀變體（blazar，同軸觀測到的活躍星系核）有關連，即為多元訊息天體之一，因為包含了微中子及電磁波兩種訊息。』。淺田圭一副研究員是位活躍星系核噴流的專家，並且是直接觀測M87黑洞影像的主要貢獻者之一。

『尋找孤兒餘輝』

由於伽瑪射線爆發的孤兒餘輝無法透過高能衛星偵測發生位置，因此需要在低能量波段（例如可見光）尋找與伽瑪射線爆發特徵相似的瞬變天體（意指在光度上有變化的天體，如：活躍星系核、變星、超新星或伽瑪射線爆發等天體），並確認是否為伽瑪射線爆發餘輝。本研究由台大物理所的黃筠淨同學領導，結合了泛星計畫(Pan-STARRS1)以及Subaru望遠鏡上的超廣角相機(HSC)的可見光波段資料，透過泛星計畫找出瞬變天體事件，再由HSC的深空觀測對瞬變天體事件的宿主星系進行分析。研究團隊從泛星計畫觀測的 7平方度星空中篩選了136,657個瞬變天體事件，並設計了一系列伽瑪射線爆發孤兒餘輝的篩選步驟，包含光變曲線的分析、宿主星系的辨認、光度紅位移之計算、以及與現有天文數據庫的交叉配合檢驗。經過縝密的分析流程後，研究結果顯示這13萬多個的瞬變天體事件中並沒有伽瑪射線爆發的孤兒餘輝存在。

雖然沒有找到伽瑪射線爆發的孤兒餘輝，但此結果有助於理論模型對於估計孤兒餘輝的限制，可以當作未來觀測策略的墊腳石。根據泛星計畫搜尋範圍的大小，研究團隊計算三種理論模型所預測的孤兒餘輝個數，本次觀測結果與理論模型預測吻合，並總結目前的泛星計畫觀測模式無法找到伽瑪射線爆發的孤兒餘輝。除了需要像泛星計畫般可以短時間觀測掃描大區域的天空，還需要可以偵測更微弱訊號的望遠鏡，才有機會找到伽瑪射線爆發的孤兒餘輝。團隊計算數個近期及未來光學和紅外線望遠鏡計畫能偵測到的孤兒餘輝個數，包含Subaru/HSC、大型綜合巡天望遠鏡計畫(LSST) 、以及羅曼太空望遠鏡(Roman Space Telescope of NASA) ，研究結果支持LSST及Roman Space Telescope將成為最有潛力偵測到孤兒餘輝的望遠鏡。論文共同作者之一，中央大學天文所助理教授浦田裕次表示：『太空望遠鏡將會是觀測孤兒餘輝的有力工具，因為它們不會受到天氣的影響。其實，Pan-STARRS1 和Subaru的觀測結果多少都受到了天氣的影響。』浦田裕次教授目前正透過日本JAXA 宇宙航空研究開發機構參與Roman Space Telescope計畫。

伽瑪射線爆發孤兒餘輝的觀測，除了證明噴流理論及噴流結構的分析外，也將成為研究短伽瑪射線爆發和重力波之關聯的重要線索。目前多數的理論模型以噴流伴隨著偏離軸視角來解釋伽瑪射線爆發GRB170817A與其相對應的重力波事件GW170817。此原理與理論學者預測伽瑪射線爆發的孤兒餘輝相似。因此，孤兒餘暉的發現與觀測將成為多元訊息天文學重要的一環。

雖然本研究團隊目前尚未找到伽瑪射線爆的孤兒餘暉，但設計的篩選及分析步驟將可在推動未來多元訊息天文學的研究上扮演重要的角色。例如，辨認重力波的電磁波對應體需要以相同的分析過程並應用在更大的資料量上，同時擁有電磁波與重力波相關研究經驗的研究員將能帶領未來多元訊息天文學的發展。論文主要作者黃筠淨除了進行孤兒餘暉研究外，也同時進行與KAGRA 重力波探測器相關的研究，多元訊息天文學的發展也是培育人力資源的良好機會。黃同學表示：『隨著重力波觀測網路如LIGO、Virgo和KAGRA的擴大，對重力波事件的定位精確度將更為提升，有助於多波段電磁波望遠鏡的定位與觀測。此外，重力波能傳遞伽瑪射線爆發事件中心的訊息，將能讓我們更了解其生成機制。因此，多元訊息天文學的發展能讓我們對重力波與伽瑪射線爆的特性做更完整的分析。』

更多資訊：

本篇論文發表於2020年7月1日出版的天文物理期刊（Astrophysical Journal），篇名：Orphan GRB Afterglow Searches with the Pan-STARRS1 COSMOS Survey

媒體聯絡：

中央研究院天文及天文物理研究所 周美吟博士 Email: cmy@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5415

原文撰稿：台灣大學黃筠淨同學、中原大學黃麗錦博士

科學編輯：中研院天文所周美吟博士

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