伽马射线暴：从宇宙最强大的爆炸中获取知识

亦木近北栽

（）据美国宇航局（作者：詹娜·阿哈特）：已知宇宙中最强大的事件——伽马射线暴（grb）——是最高能量光的短暂爆发。它们爆发时的亮度是太阳的五万亿分之一（10后面跟着18个零）。现在，人们认为这预示着新黑洞的诞生，但它们是被意外发现的。



在这位艺术家的概念中，两颗中子星开始融合，爆发出高速粒子射流。像这样的碰撞事件会产生短暂的伽马射线爆发。致谢:美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/索诺玛州立大学A. Simonnet

背景故事将我们带到1963年，当时美国空军发射了Vela卫星来探测被禁止的核武器试验产生的伽马射线。美国刚刚与英国和苏联签署了一项禁止在地球大气层内进行试验的条约，Vela卫星确保了各方的遵守。相反，卫星偶然发现了16次伽马射线事件。到1973年，科学家们可以排除地球和太阳都是这些辉煌爆发的来源。当时洛斯阿拉莫斯国家实验室的天文学家发表了第一篇论文，宣布这些爆发源自太阳系之外。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的科学家通过IMP 6卫星上的X射线探测器迅速确认了这一结果。意大利航天局的BeppoSax和美国国家航空航天局的康普顿伽马射线天文台的贡献还需要20年才能证明这些爆发发生在我们银河系以外的地方，均匀分布在天空中，而且非常强大。有记录以来最近的GRB发生在1亿多光年之外。

尽管是偶然发现的，伽马射线暴对今天的研究人员来说已经证明是无价的。这些闪光富含对一些现象的洞察力，如超大质量恒星生命的终结或遥远星系中黑洞的形成。

尽管如此，仍有大量的科学瑰宝有待发现。2017年，伽马射线暴首次与引力波——时空结构中的波纹——联系起来，引导我们更好地理解这些事件是如何发生的。

伽玛暴的长与短

天文学家将伽马射线暴分为两大类:短事件（伽马射线的初始爆发持续不到两秒钟）和长事件（持续两秒钟或更长时间）。

较短的爆发总体上也产生较少的伽马射线，这使研究人员假设这两类射线来自不同的祖系统。

天文学家现在将短暂的爆发与两颗中子星或一颗中子星和一个黑洞的碰撞联系起来，从而导致黑洞和短暂的爆炸。短伽马射线暴之后有时会出现基诺娃，这是化学元素放射性衰变产生的光。这种衰变会产生更重的元素，如金、银和铂。

长爆发与大质量恒星的爆炸死亡有关。当一颗大质量恒星耗尽核燃料时，它的核心会坍塌，然后反弹，推动冲击波向外穿过恒星。天文学家将这次爆炸视为超新星。核心可能形成中子星或黑洞。

在这两类黑洞中，新生黑洞向相反的方向喷射。由加速到接近光速的粒子组成的射流穿透周围的物质并最终与它们相互作用，当它们这样做时会释放出伽马射线。



在这位艺术家的概念中，当大质量恒星爆炸时，它会产生高能粒子射流。当这种粒子几乎直接指向地球时，我们就能看到伽马射线暴。信用:美国国家航空航天局/斯威夫特/克鲁兹·德维尔德

不过，这一大致轮廓并不是最终结论。天文学家对伽马射线暴研究得越多，他们就越有可能遇到挑战当前分类的事件。

2020年8月，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜追踪到一个名为GRB 200826A的第二长爆发，距离60多亿光年。它应该属于由致密天体合并引发的短时爆发类。然而，这一事件的其他特征——如它产生的超新星——表明它源于一颗大质量恒星的坍缩。天文学家认为这次爆发可能在达到长爆发的典型持续时间之前就已经结束了。

费米和美国国家航空航天局的尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台在2021年12月捕捉到了它的对应数字GRB 211211A。该爆发位于10亿光年之外，持续了大约一分钟。虽然这使它成为一个长GRB，但它后面是一个基洛诺瓦，这表明它是由合并引发的。一些研究人员将这次爆发的怪异之处归因于中子星与黑洞伴侣的合并。

随着天文学家发现更多持续数小时的爆发，可能仍有一个新的类别正在形成:超长伽玛暴。大质量恒星死亡产生的能量可能无法维持爆发这么长时间，因此科学家必须寻找不同的来源。

一些人认为超长爆发发生在新生的磁星上——这些中子星自转速度快，磁场比平均水平强一千倍。还有人说，这个新的类别需要宇宙中最大的恒星居民——蓝色超巨星的力量。研究人员继续探索超长伽玛暴。

余辉散发出新的光芒

虽然伽马射线是能量最高的一种光，但它们肯定不是最容易被发现的。我们的眼睛只能看到电磁波谱的一个窄带。研究这个范围之外的任何光线，如伽马射线，都与我们的科学家和工程师开发的仪器密切相关。这种对技术的需求，加上伽玛暴本来就转瞬即逝的特性，使得爆发在早期更难研究。



哈勃太空望远镜的宽视场相机3揭示了GRB 221009A及其主星系的红外余辉（圈起来的部分），从爆发处向左上方延伸出一条细长的光线。
学分:美国国家航空航天局、欧空局、加空局、STScI、A. Levan（拉德布德大学）；图像处理:Gladys Kober

当喷流中的物质与周围的气体相互作用时，就会出现GRB余辉。

余辉发出无线电、红外线、光学、紫外线、X射线以及伽马射线光，这提供了关于原始爆发的更多数据。余辉也比最初爆炸持续数小时至数天（甚至数年），为发现创造了更多机会。

研究余辉成为推断不同爆发背后驱动力的关键。在长时间的爆发中，随着余辉变暗，科学家们最终看到源再次变亮，因为潜在的超新星变得可以探测到。

尽管光是宇宙中最快的旅行者，但它无法瞬间到达我们身边。当我们探测到一次爆发时，可能已经过去了数百万到数十亿年，这使我们能够通过遥远的余辉探索早期宇宙的一些情况。

充满发现

尽管到目前为止已经进行了大量的研究，但我们对伽玛暴的了解还远远不够。每一项新发现都为科学家的伽马射线爆发模型增加了新的方面。

费米和斯威夫特在2022年用GRB 221009A发现了这些革命性事件之一，这是一次如此明亮的爆发，以至于暂时蒙蔽了大多数天基伽马射线仪器。预计这种规模的GRB每10，000年发生一次，这可能是人类文明见证的最高亮度事件。天文学家因此称它为有史以来最亮的一艘船。

这是在发现它时所看到的最近的长爆发之一，使科学家们不仅可以更近距离地观察伽马射线暴的内部运作，还可以观察银河系的结构。通过窥视这艘船，他们发现了其他模型中缺失的无线电波，并追踪X射线反射以绘制出我们银河系隐藏的尘埃云。



美国国家航空航天局的尼尔·盖尔斯·斯威夫特天文台连续几周探测到GRB 221009A初始闪光的X射线，因为我们银河系中的尘埃将光线散射回我们，这里显示为任意颜色。致谢:美国国家航空航天局/斯威夫特/比尔德莫尔（莱斯特大学）

伽马射线暴还将我们与宇宙中最受欢迎的信使之一联系起来。引力波是时空的无形扭曲，产生于中子星碰撞等灾难性事件。把时空想象成宇宙无所不包的毯子，引力波就像涟漪一样在物质中飘荡。

2017年，费米在探测到来自同一来源的引力波后1.7秒发现了中子星合并的伽马射线闪光。在传播了1.3亿光年后，引力波在伽马射线之前到达地球，证明了引力波以光速传播。

科学家们从未探测到光波和引力波一起到达地球。这些信使组合在一起描绘了一幅更加生动的中子星合并的画面。

随着不断的研究，我们对伽马射线暴的不断发展的了解可能会揭开我们宇宙的未知结构。但实际爆发只是冰山一角。无穷无尽的信息隐藏在表面之下，等待收获。