美国宇航局回顾伽马射线爆发科学50年

天文学家认为，当一颗大质量恒星的核心坍塌，形成黑洞时，就会产生一个长GRB(伽马射线爆发)。在这位艺术家的概念中，由落向黑洞的物质驱动的粒子射流从一颗注定要毁灭的恒星中以接近光速向外运动。要探测到GRB，其中一个喷流必须指向地球。鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

（神秘的地球uux.cn）据美国宇航局：50年前，1973年6月1日，世界各地的天文学家被介绍给一个强大而令人困惑的新现象，称为伽玛射线爆发。今天，轨道卫星上的传感器，如美国宇航局的Swift和Fermi任务，平均每天在天空的某个地方探测到一次GRB。天文学家认为爆发源于遥远星系中恒星的灾难性事件，这些事件被认为会产生新的黑洞。

“我仍然记得发现伽马射线爆发时的兴奋，”阿拉巴马大学亨茨维尔分校的研究科学家Charles Meegan说，他帮助开发了美国宇航局康普顿和费米卫星上的GRB探测器。“当时我是一名研究生，没有意识到对这些奇怪事件的研究将成为我未来50年的职业。”

这张哈勃近红外合成照片展示了一个富含明亮恒星的区域，这些恒星呈现出多彩的衍射尖峰。爆发两个月后，船GRB的余晖(圆圈)闪耀着恒星般的光芒。靠近该点的一条灰色带是它的主星系。哈勃太空望远镜的宽视场相机3展示了GRB船和它的主星系的红外余辉(圆圈),从余辉的左上方延伸出一条细长的光线，几乎可以从侧面看到。这次爆发发生在大约20亿光年之外。鸣谢:NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan (Radboud大学)；图像处理:Gladys Kober

有了伽玛暴，几乎一切都是极端的。它们发生在离我们银河系如此之远的地方，以至于最近的爆发也在1亿多光年之外。每次爆发都会产生伽马射线的初始脉冲，这是光的最高能量形式，通常持续几毫秒到几分钟。这种发射来自一股粒子射流，它以接近光速的速度向我们的方向发射，我们越靠近直直地向下看桶，它就显得越亮。紧随这一瞬间发射的是伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波的余辉，天文学家可以追踪几个小时到几个月。

即使半个世纪过去了，伽马射线暴还是带来了惊喜。最近的一次爆发如此明亮，以至于暂时蒙蔽了太空中的大多数伽马射线探测器。昵称为船(有史以来最亮的)，7分钟的爆炸可能是过去10，000年来最亮的GRB。它还表明，科学家们对这些事件最有希望的模型还远未完成。

GRB的故事始于1963年10月，当时由美国、英国和苏联签署的禁止在大气层、水下或太空进行核武器试验的条约生效。为了确保合规，美国空军一直在管理一项非机密的研究和开发工作，以从太空探测核试验。条约生效一周后，这其中的前两颗卫星，名为Vela(来自西班牙语“观看”)，开始工作。

在布满星星的背景下，一个由许多三角形边(右)组成的矮胖的宇宙飞船围绕地球运行，在这位艺术家的概念中，左下角是一个蓝色、白色和棕色的球体。太阳在左上方显示为一个白黄色的小圆圈。艺术家绘制的环绕地球轨道上的船帆座5B。鸣谢:洛斯阿拉莫斯国家实验室

成对发射的Vela卫星携带了探测器，用于感应核爆炸产生的X射线和伽马射线的初始闪光。有时它们触发了明显不是核试验的事件，科学家们收集并研究了这些观察结果。利用四颗Vela 5和6卫星上的改进仪器，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的Ray Klebesadel与他的同事Ian Strong和Roy Olsen一起确定了16个确认的伽马射线事件的方向，足以排除地球和太阳的来源。他们在1973年6月1日的《天体物理学杂志》上发表了一篇论文，宣布了这一发现。

马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德航天飞行中心的汤姆·克莱恩和乌彭德拉·德赛利用IMP 6卫星上的探测器研究太阳耀斑，很快证实了船帆座的发现。

1991年4月7日，美国国家航空航天局的康普顿伽马射线天文台在STS-37任务中部署后，漂移离开亚特兰蒂斯号航天飞机。康普顿成功的职业生涯在2000年6月天文台重返地球大气层时结束。鸣谢:NASA/肯·卡梅隆

虽然理论家们提出了100个模型来解释伽马射线暴——大多数涉及我们银河系中的中子星——但观测进展缓慢，尽管不同航天器的探测数量越来越多。伽马射线不能像可见光或X射线那样聚焦，这使得精确定位非常困难。没有它们，就不可能在太空或地面上用更大的望远镜搜索其他波长的GRB。

1991年，美国宇航局发射了康普顿伽马射线天文台，其中包括一个名为BATSE(爆发和瞬态科学实验)的仪器，专门用于探索伽马射线暴。BATSE由美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心开发，由包括米根在内的一个团队开发，其灵敏度比以前的GRB探测器高10倍。在康普顿九年的任务中，BATSE探测到了2704次爆发，这给了天文学家一套用同一台仪器进行的丰富的观察。

在第一年，BATSE数据显示，爆发分布在整个天空，而不是以反映我们银河系结构的模式分布。“这表明它们来自遥远的星系，这意味着它们比大多数科学家想象的更有活力，”米根说。

大约在同一时间，BATSE团队的另一名成员Chryssa Kouveliotou领导了一项对爆发进行分类的工作。研究小组发现，爆发持续时间分为两大类——一类持续时间不到两秒，另一类持续时间超过两秒——短爆发比长爆发产生的伽马射线能量更高。

乔治·华盛顿大学物理系现任系主任Kouveliotou说:“所以时间和光谱特性决定了两种不同的伽马射线暴:短伽马射线和长伽马射线。”。"不久之后，理论家们将长伽玛射线暴与大质量恒星的坍缩联系起来，将短伽玛射线暴与双星中子星的合并联系起来."

随着来自意大利-荷兰卫星BeppoSAX的分水岭观测的出现，理解又向前迈进了一步。虽然不是专门为GRB任务设计的，但它的仪器组合——包括一个伽马射线监视器和两个广角X射线相机——证明是该领域的福音。

当一个X射线相机的视野中发生爆炸时，航天器可以在几个小时内很好地定位它，从而可以使用其他仪器。每当BeppoSAX转向GRB的位置时，它的仪器就会发现一个快速衰减的、以前未知的高能量源——X射线余辉理论学家已经预测到了。这些位置使得大型地面观测站能够发现可见光和无线电波中的长GRB余辉，也允许进行第一次距离测量，证实了伽马射线暴确实是遥远的事件。

2000年，美国宇航局发射了HETE 2号，这是一颗旨在探测和定位伽马射线暴的小型卫星。这是第一次在船上计算精确的位置，并在几十秒内迅速将它们传送到地面，以便其他天文台可以研究早期的余辉阶段。它在2003年3月29日发现的爆发也展现了明确的超新星特征，证实了这两种现象之间的可疑关系。

在黑暗的太空中，一个四四方方的金属宇宙飞船占据了画面。太阳能电池板的两个“翅膀”从它的两侧伸出来。下面是明亮、多云的地球边缘。工作中的NASA雨燕卫星的艺术家概念。鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯

BeppoSAX花了几个小时的事，NASA的Neil Gehrels Swift天文台在2004年发射，可以在一分钟内完成。“我们将它命名为雨燕是有原因的，”戈达德太空中心的布拉德利·岑科说，他是该任务的现任首席研究员。"它的快速自动反应使我们能够探测到耀斑和X射线余辉中以前没有发现的其他特征."

对这些任务探测到的伽马射线暴的追踪证实了长爆发与星系的恒星形成区域有关，并且经常伴随着超新星。2005年5月，Swift能够精确定位短暂GRB的第一次余辉，表明这些爆炸发生在几乎没有恒星形成的区域。这支持了中子星合并时的短脉冲模型，中子星可以远离它们的出生地，经过数百万年才碰撞在一起。

2008年，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜加入了搜寻伽马射线暴的行列，迄今为止已经观测了大约3500颗。它的GBM(伽马射线爆发监视器)和大面积望远镜可以检测和跟踪从X射线到太空中检测到的最高能量伽马射线的爆发——能量跨度为1亿倍。这使得余辉伽马射线的发现成为可能，其能量是可见光的几十亿倍。

2017年，费米和欧洲积分卫星将一个短GRB与引力波源联系起来，引力波是轨道中子星向内螺旋并合并时产生的时空波纹。这是重要的第一次，连接了两个不同的宇宙“信使”，重力和光。虽然此后天文学家没有看到另一个“重力和光”爆发，但他们希望在引力波天文台当前和未来的观测运行中会出现更多。

在这位艺术家的概念中，苍白的同心弧说明了轨道运行的中子星合并时产生的引力波。该事件还形成了发射伽马射线的接近光速的粒子喷流。2017年，首次检测到两种信号来自同一个来源。鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室

“我们正在建造灵敏度更高的新卫星，以更深入地研究这一现象，因此GRB科学的未来是光明的，”Marshall的Dan Kocevski说，他是费米GBM小组的成员，也是StarBurst的首席研究员，StarBurst是一颗小型卫星，旨在探索中子星合并产生的伽马射线暴。其他任务包括Glowbug，这是3月份发射到国际空间站的实验包的一部分，由华盛顿美国海军研究实验室的J. Eric Grove领导；由戈达德太空中心的杰里米·珀金斯领导的BurstCube，计划于2024年初发射；月球光束，将在地球和月球之间运行，由马歇尔的Chiumun Michelle Hui领导；和LEAP，旨在从空间站研究GRB喷气机，由杜伦新罕布什尔大学的马克·麦康奈尔领导。

随着重力和伽马射线设施都提高了它们的探测范围，GRB故事的新篇章将会开启。

“彻底改变我们对伽马射线暴的理解的东西，”拉伯克的德克萨斯理工大学副教授亚历山德拉·科尔西说，“将是追踪它们到大约100亿年前宇宙最强烈形成恒星时的能力。宇宙的这一部分将由下一代引力波探测器探测——比我们目前的探测器灵敏10倍——以及未来的伽马射线任务，这些任务可以确保斯威夫特和费米已经实现的奇妙科学的连续性。”