什么是伽马射线暴？

一幅伽玛射线爆发的插图，它是从一颗正在坍缩的大质量恒星周围的致密环境中爆发出来的(图片来源:uux.cn/美国国家航空航天局、欧洲航天局和M. Kornmesser)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（罗伯特·李）：伽马射线爆发是已知宇宙中最强大和最猛烈的爆炸。这些短暂的高能闪光来自宇宙中一些最具爆炸性的事件，包括黑洞的诞生和中子星之间的碰撞。

根据美国国家航空航天局的说法，持续几毫秒到几分钟的伽玛射线暴可以比一般的超新星亮几百倍，使它们像一百万万亿个太阳一样明亮。因此，当GRB爆发时，它会短暂地成为可观测宇宙中最亮的电磁辐射源。

第一次观测到GRB是在1967年7月2日，这要归功于Vela 4A卫星，它是一系列X射线、伽马射线和中子探测航天器的一部分，旨在监测苏联或其他国家的任何核试验。GRB在1969年被记录在案，并在1973年发现解密后发表在一篇论文中。1971年至1973年间，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们检查了由Vela卫星探测到的几个伽玛射线暴，并确定伽玛射线暴确实是“宇宙起源的”。

从那时起，科学家们就对这些巨大的宇宙爆炸及其来源着迷。

卡耐基梅隆大学麦克威廉姆斯宇宙学中心的博士后布伦丹·奥康纳告诉Space.com:“伽马射线暴是宇宙实验室，它让我们能够研究在地球上无法复制的物质和物理状态。”。

奥康纳专门研究大规模宇宙爆炸，他解释说，与伽马射线暴相关的伽马射线辐射是由以接近光速移动的准直物质射流产生的——所谓的相对论速度——这使得科学家可以研究相对论粒子的发射机制。

他补充说:“伽马射线爆发在宿主星系及其周围环境中的位置告诉我们祖先系统的形成和演化，提供了对宇宙时代恒星演化和恒星形成的深入了解。”

伽马射线爆发的原因取决于它持续的时间。持续时间不到两秒的grb是由两颗中子星合并或者一颗中子星和一个黑洞合并而成的。更长的伽玛暴可以持续几个小时，当大质量恒星坍缩并产生黑洞时触发。在这两种情况下，科学家都认为伽玛射线暴是由加速到大约99.9%光速的粒子喷流造成的。

Radboud大学教授Andrew Levan表示，在短短几秒钟内，伽马射线爆发可以释放出相当于太阳在其整个90亿年生命中所释放的能量。

grb似乎与处于激烈恒星形成过程中的星系关系最为密切，这一时期我们的星系似乎在20亿至30亿年前已经成熟。然而，银河系充满了标志着大质量恒星死亡的超新星遗迹，表明我们的星系曾经是伽玛暴的家园。

科学家曾经认为，宿主星系中的GRB“爆炸”会杀死该星系中的所有生命。这种想法现在已经被大多数人摒弃了，因为伽马射线暴不像炸弹那样引爆，而是像灯塔一样将能量引导到两个狭窄的光束中。然而，这并不意味着它们是完全安全的。欧洲航天局(ESA)表示，在这种光束200光年范围内捕捉到的任何东西都有可能被蒸发。

哈勃太空望远镜的宽视场相机3揭示了GRB船和它的宿主星系的红外余辉(圆圈),看起来像一条延伸到爆发右上角的狭长光线。这张合成照片包含了2022年11月8日和12月4日拍摄的图像，时间是火山爆发后的一个月和两个月。(图片鸣谢:uux.cn/NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan (Radboud大学)；图像处理:Gladys Kober)

1991年4月，美国航天局在康普顿伽马射线天文台上启动了爆发和瞬态源实验，这是一个全天探测器，任务是探测、定位和研究伽马射线暴。一年之内，BATSE每天探测到大约一个GRB，该航天器继续进行有史以来第一次伽马射线全天调查。根据Swinburne天体物理学和超级计算中心的说法，这揭示了GRB源在宇宙中几乎是均匀分布的。然而，它们通常与昏暗遥远的星系联系在一起。

BATSE提供的大量GRB数据还显示，这些强大的高能光子爆发有两种相当遥远的类型:持续时间不到两秒的短持续时间伽玛暴和持续时间从两秒到几百秒甚至几个小时的长持续时间伽玛暴。

研究人员认为不同持续时间的伽马射线来自不同的来源，但这两种不同的GRB发射机制都可能导致黑洞的产生或现有黑洞的增长。

“伽玛射线暴主要追踪大质量恒星的爆炸死亡，产生持续超过两秒钟的初始伽玛射线辐射，”奥康纳说。“然而，事件的一个较小子集是由两个致密物体，通常是两颗中子星的灾难性碰撞产生的。这些事件被称为短时伽马射线爆发，持续时间不到2秒。”

到目前为止，持续时间长的伽马射线事件约占这类伽马射线事件的70%,与大质量恒星核心的坍塌有关，起始质量是太阳的5到10倍。当大质量恒星耗尽核聚变的燃料，无法再抵抗自身向内的引力影响时，就会发生坍缩。随着这颗垂死恒星的核心坍塌，外层被巨大的超新星爆发出来。根据美国宇航局的说法，这意味着当天文学家发现一个长时间的GRB时，他们也预计几周后会看到一颗明亮的超新星。

当新生的黑洞开始以曾经是恒星外层的周围物质为食时，垂死恒星的GRB就产生了。强大的磁场将带电物质引导到新黑洞的两极，在那里，它以接近光速的两个极喷流喷出。这些喷流在穿过周围的恒星物质时会发出X射线和伽马射线，这些初始的高能发射之后会产生穿过电磁波谱的余辉。

伽玛暴和大质量塌缩恒星之间的联系在2003年3月得到了证实，当时被命名为GRB 030329的GRB追踪到一颗质量为太阳25倍的恒星塌缩时产生的光学余辉，以及能量最高的超新星类型:超新星。

这些持续时间更长的伽马射线暴似乎也与宇宙中正在经历恒星密集形成期的区域有关。

“几十年来，伽马射线爆发的起源一直是个谜，”奥康纳说。“这在很大程度上是由于它们以前在天空中的定位不佳，这排除了在其他波长上的观测。在更长的伽玛暴和它们的余辉最终被精确定位后，许多以前的谜团迅速消失了。对它们的宿主星系、距离和相关超新星的识别清楚地表明了它们的大质量恒星起源。”

持续时间不到两秒钟的短时伽玛暴之谜对科学家来说有点难以解开。这是因为这些快速事件太快了，科学家们无法详细研究。这种情况在2004年开始改变，美国国家航空航天局的尼尔·格里尔斯·斯威夫特天文台发射升空，该天文台强大到足以发现这些短期爆发的余辉。

2005年，天文学家确定，短期伽马射线暴与两颗中子星的碰撞和合并有关，这是当大质量恒星不够重而无法产生黑洞时留下的致密恒星尸体，或者是黑洞和中子星之间的合并和碰撞。

短时伽玛暴的合并模型表明，双星系统中的中子星螺旋在一起，这是因为角动量通过引力波被带走，引力波是时空中的微小波纹，由阿尔伯特·爱因斯坦在1915年首次预测。它们靠得越近，引力波的频率就越高，因此从双星系统中消耗角动量的速度就越快。

最终，中子星碰撞并合并产生了一颗超大质量中子星，它迅速坍缩产生了一个黑洞。这引发了引力波的最终爆发，称为基洛诺瓦的电磁辐射爆发，以及通过中子星物质的相对论性外流产生的GRB。当黑洞与中子星碰撞时，中子星物质也会发生同样的喷射。这就是为什么两颗中子星的合并或一颗中子星与一个黑洞的合并会触发GRB，但两个黑洞的合并不会触发——在后一种事件中，没有中子星物质被喷射出来。

这种对短伽玛暴的研究得到了引力波探测器的发展的支持，如激光干涉仪引力波天文台(LIGO)，它可以从这些合并事件中拾取时空波纹，因此研究人员可以搜索与短伽玛暴相关的合并。

2017年，LIGO和它的引力波探测器处女座接收到了一个引力波信号，据信这是壳椭圆星系NGC 4993中发生的中子星合并的结果。在探测到这一被命名为GW170817的信号后，发现了一个不到2秒的伽马射线爆发，来自同一近似空间区域。它被命名为GRB170817A，被认为是这次合并产生的相对论喷流的结果。

“由于引力波和对双星中子星合并GW170817的检测，我们在长持续时间伽玛暴中看到的类似革命现在已经在短持续时间伽玛暴中开始了”——这是第一次在电磁辐射中看到并通过引力波“听到”的中子星合并——“这推动了我们对这些短持续时间爆发的理解，”奥康纳说。

然而，在2022年末，由西北大学研究员Jillian Rastinejad领导的一个天文学家小组发现了一些令人惊讶的事情:一个与中子星合并有关的50秒长的GRB。

Rastinejad在发现时的一份声明中说:“这一事件看起来不同于我们以前从长伽马射线爆发中看到的任何事情。”“它的伽马射线类似于大质量恒星坍塌产生的爆炸。鉴于我们观察到的所有其他确认的中子星合并都伴随着持续不到两秒钟的爆发，我们有充分的理由预计这50秒的GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。这一事件代表了伽马射线爆发天文学的一个令人兴奋的范式转变。”

在爆发一小时后，斯威夫特X射线望远镜观测到了有史以来最亮的伽马射线爆发。(图片鸣谢:uux.cn/NASA/Swift/A. Beardmore(莱斯特大学))

迄今为止观测到的最引人注目的伽玛射线暴之一被称为“有史以来最亮的”，或船，GRB。2022年10月9日，西北大学物理和天文学系助理教授方文辉和她的团队发现了它，包括奥康纳在内的另一个团队也观察到了它。

奥康纳说，官方命名为GRB 221009A的这次爆炸不仅是有史以来能量最大的一次，而且距离地球如此之近，其亮度似乎是有史以来观测到的第二亮事件的70倍左右。在发现的时候，他告诉Space.com的姐妹网站Live Science，这艘船可能是由一颗质量相当于30个太阳的恒星爆炸发射的。事实上，这次爆炸可能是自大爆炸以来宇宙中最大的爆炸。

在GRB 221009之前，有史以来见过的最强大的GRB是GRB 190114C，它是由拉德布德大学天体物理学教授安德鲁·莱万及其团队在2019年使用美国宇航局的尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台和费米伽马射线太空望远镜发现的。

“虽然我们可能会认为GRB 221009A很近，比典型的爆发近20倍，但它仍然距离地球24亿光年，”奥康纳指出。“即使在这个距离，辐射也是如此强烈，以至于它短暂地分散了地球的电离层，影响了无线电波通信。这表明了伽马射线爆发现象到底有多么具有爆炸性，以及我们是多么幸运，它们不太可能在我们自己的星系中发生。”

伽马射线爆发发生在中子星碰撞或巨星爆炸成黑洞时，释放出超高能光子射流，看起来像手电筒的窄光束。(图片鸣谢:uux.cn/欧洲南方天文台)

如果我们的星球被GRB击中，这对地球上的生命意味着什么？

“从技术上讲，地球一直都在被伽玛射线暴撞击；这就是我们如何发现它们的，”西北大学天文学博士生Genevieve Schroeder告诉Space.com。“我们的臭氧层在保护我们免受最具破坏性的光子伤害方面做得非常好，这就是为什么我们的伽马射线望远镜都是大气层外的卫星。”

施罗德解释说，我们探测到的所有伽马射线都来自银河系以外的星系，因此在这些情况下，伽马射线到达我们这里时并不强大，因此不会构成太大的威胁。但是如果GRB发生在离我们很近的地方并直接撞击地球，对我们星球的臭氧层来说可能是灾难性的，她补充道。

施罗德说:“我们所知道的生命如果没有被完全毁灭，也会发生巨大的变化。”。

事实上，地球上的生命可能已经感受到了GRB的愤怒。2004年，堪萨斯大学的Brian Thomas和他的同事提出，地球上第二大物种灭绝可能是GRB撞击地球的结果。

大约发生在4.4亿年前，奥陶纪末期的灭绝导致三分之二的物种灭绝，这是臭氧消耗和冰河时代开始的结果，冰河时代可能是由地球宇宙后院的GRB引发的。然而，我们的星球不太可能很快就能看到GRB的镜头。

“谢天谢地，地球最近的恒星邻居并不真的是产生伽马射线暴的类型，事件的频率足够罕见，所以我们应该是安全的，”施罗德说。

吉纳维芙·施罗德

天文学博士生

吉纳维芙·施罗德是西北大学天文学博士生。施罗德致力于伽马射线爆发的宽带观测，她专门研究这些事件的无线电跟踪。

我们向西北大学天文学博士生、天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)成员吉纳维芙·施罗德(Genevieve Schroeder)询问了一些重要的伽马射线爆发问题。

顾名思义，伽马射线爆发是我们探测到的伽马射线爆发。如此高能量的爆发意味着伽玛射线暴是整个宇宙中最具能量的爆发之一。

是的，根据我们探测伽马射线的时间长短，有两类伽马射线。短伽马射线辐射通常短于两秒钟，它们来自两颗中子星的碰撞。长伽马射线辐射通常超过两秒钟，它们来自一颗正在死亡的大质量恒星。我们知道这些事件导致了伽玛暴的产生，因为我们已经看到了这些事件的其他特征。

例如，我们已经看到几个长伽玛暴也有一个重合的超新星，证实它们来自一个单一的大质量恒星死亡。我们也有一个短GRB，170817A，LIGO探测到来自两个中子星在同一时间和位置合并的引力波。此外，中子星合并会产生重的、富含中子的喷出物，这些喷出物会放射性衰变，产生一个千新星，可以在红外波段探测到。我们有几个短的伽玛暴声称探测到了基洛诺瓦。

我们知道，为了产生GRB，你需要一个非常紧凑的源——要么是一个黑洞，要么可能是一个快速旋转的中子星。通过对星系的研究，我们还知道，大多数长伽玛暴发生在恒星形成的星系中，它们的质量比银河系小，金属含量也低，而短伽玛暴的宿主星系要多样化得多。

当GRB发生时，它会产生伽马射线和其他物质。当这种材料与周围所有其他尘埃和粒子相互作用时，它会激发这种材料，然后产生从X射线到无线电波段的发射，称为“余辉”。我专门观察射电波段的伽玛暴，我的工作之一就是观察并尝试探测射电余辉。我们可以通过模拟X射线到射电余辉来更好地理解GRB的能量和环境。我以这种方式写过两篇论文:一篇是我模拟了几个带有射电余晖的长而模糊的伽玛暴，另一篇是我模拟了一个带有射电余晖的短GRB，它有着意想不到的重新变亮。

我研究的另一个方面是在短伽玛暴被探测到几年后，用射电望远镜追踪它们。如果两颗中子星相撞，它们有可能不会形成黑洞，而是形成另一颗更大质量的中子星，具有强大的磁场——磁星。这颗磁星将快速旋转，并可能激发其周围的基洛诺瓦物质，导致这些物质在GRB被探测到几年后产生无线电信号。我一直在寻找这个射电信号，虽然我还没有探测到它，但我确实写了一篇论文，跟踪了附近的九个短伽玛暴。

伽玛暴在很多方面都很神秘。一个悬而未决的问题是，GRB是由黑洞中心引擎产生的，还是中子星也能产生一个。人们正在做大量的工作来模拟伽马射线暴，试图理解它们最初是如何产生的。另一个悬而未决的问题与弥合长期和短期差距的伽马射线暴有关。也就是说，你可能有一个“长”GRB，但所有迹象都指向中子星合并，或者你有一个“短”GRB，有一颗超新星与之相关，所以它显然来自一颗垂死的恒星。我们仍在试图了解有多少这样的冒名顶替者。

在过去的几年里，已经探测到了几次非常奇怪的伽马射线暴。GRB 211211A是2022年12月探测到的长GRB。即使它在技术上被归类为“长”，进一步的观察揭示了一个基洛诺瓦，这意味着这个GRB实际上来自中子星合并。

GRB 221009A，也被称为船——我的导师方文辉(Wen-fai Fong)创造的“有史以来最亮的”——顾名思义，是我们探测到的最亮的GRB。许多论文试图理解是什么导致了这次爆发如此明亮。然后我们有一个类似于GRB 211211A和221009A的爆发:GRB 230307A。GRB 230307A非常明亮(但没有船亮)，尽管也有潜在的基洛诺瓦探测，但也有很长的持续时间。总的来说，我们发现了越来越多挑战传统分类模式的事件，并促使我们通过这个新的“镜头”重新审视历史事件。

我们对当前和未来的引力波观测充满希望，我们将探测到更多与中子星合并同时发生的短grb。在接下来的十年中，还有许多新的GRB卫星正在计划和发射，这将有助于我们更好地探测和理解这些事件。在无线电跟踪方面，我对下一代射电望远镜感到兴奋，这将使我们能够更好地探测这些事件。