爆炸的恒星发出强大的能量爆发——公民科学家项目对这些明亮的闪光进行分类和了解

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伽马射线爆发发生在中子星碰撞或巨星爆炸进入黑洞时，释放出看起来像手电筒窄光束的超高能光子射流。（图片来源：欧洲南方天文台）

据《对话》（Amy Lien）：Amy Lien是坦帕大学物理学助理教授，她的研究兴趣在于了解宇宙是如何通过最高能的天体物理爆炸开始和演化的：伽马射线暴、超新星、合并中子星和黑洞。

当遥远的恒星爆炸时，它们会发出被称为伽马射线爆发的能量闪光，这种闪光的亮度足以让地球上的望远镜探测到它们。研究这些脉冲也可能来自黑洞和中子星等奇异天体的合并，可以帮助像我这样的天文学家了解宇宙的历史。

太空望远镜平均每天探测一次伽马射线爆发，加上多年来探测到的数千次爆发，一个志愿者团体正在使对这些爆发的研究成为可能。

2004年11月20日，美国国家航空航天局发射了Neil Gehrels Swift天文台，也称为Swift。Swift是一台多波长太空望远镜，科学家们正在使用它来了解更多关于这些来自宇宙的神秘伽马射线闪光的信息。

伽马射线爆发通常只持续很短的时间，从几秒钟到几分钟，它们的大部分发射是以伽马射线的形式进行的，伽马射线是我们眼睛看不见的光谱的一部分。伽马射线含有大量能量，会损伤人体组织和DNA。

幸运的是，地球的大气层阻挡了大多数来自太空的伽马射线，但这也意味着观察伽马射线爆发的唯一方法是通过像Swift这样的太空望远镜。在其19年的观测过程中，Swift观测到了1600多次伽马射线暴。它从这些爆发中收集的信息有助于回到地面的天文学家测量到这些物体的距离。



一位艺术家对雨燕飞船的渲染，背景是伽马射线爆发。（图片来源：Spectrum和NASA E/PO，索诺玛州立大学，Aurore Simonet）

时光倒流

Swift和其他天文台的数据告诉天文学家，伽马射线暴是宇宙中最强大的爆炸之一。它们如此明亮，以至于像Swift这样的太空望远镜可以从整个宇宙中探测到它们。

事实上，伽马射线暴是望远镜观测到的最远的天体物理物体之一。

由于光以有限的速度传播，天文学家在更远地观察宇宙时，实际上是在回顾时间。

有史以来观测到的最远的伽马射线爆发发生在如此遥远的地方，以至于它的光花了130亿年才到达地球。因此，当望远镜拍摄伽马射线爆发的照片时，他们观察到了130亿年前的事件。

伽马射线暴使天文学家能够了解宇宙的历史，包括恒星的出生率和质量如何随时间变化。

伽马射线暴的类型

天文学家现在知道，伽马射线爆发基本上有两种——长伽马射线爆发和短伽马射线爆发。它们是根据脉冲持续的时间来分类的。长伽马射线爆发的脉冲长度超过两秒，至少其中一些事件与超新星爆炸恒星有关。

当一颗大质量恒星，或者一颗质量至少是太阳八倍的恒星，耗尽燃料时，它会爆炸成超新星，坍塌成中子星或黑洞。

中子星和黑洞都非常紧凑。如果你把整个太阳缩小到大约12英里的直径，或者曼哈顿的大小，它的密度就会像中子星一样大。

一些质量特别大的恒星在爆炸时也会发射出喷流。这些喷流是由结构化磁场和带电粒子提供动力的集中光束。当这些喷流指向地球时，像Swift这样的望远镜将探测到伽马射线爆发。

另一方面，短伽马射线暴的脉冲短于两秒。天文学家怀疑，这些短爆发大多发生在两颗中子星或一颗中子星与黑洞合并时。

当一颗中子星离另一颗中子恒星或黑洞太近时，这两个物体将围绕彼此运行，随着它们通过引力波失去部分能量，它们会越来越近。

这些物体最终合并并发射出短喷流。当短喷流指向地球时，太空望远镜可以将其探测为短伽马射线爆发。

伽马射线暴的分类

将爆发分为短爆发或长爆发并不总是那么简单。在过去的几年里，天文学家发现了一些与超新星有关的奇特的短伽马射线爆发，而不是预期的合并。他们发现了一些与合并而非超新星有关的长伽马射线爆发。

这些令人困惑的案例表明，天文学家并不完全了解伽马射线暴是如何产生的。他们认为，天文学家需要更好地了解伽马射线脉冲的形状，才能更好地将脉冲与其起源联系起来。

但很难系统地对不同于脉冲持续时间的脉冲形状进行分类。脉冲形状可能极其多样和复杂。到目前为止，即使是机器学习算法也无法正确识别天文学家感兴趣的所有详细脉冲结构。



伽马射线暴有各种不同的形状，这些形状描述了它们如何随着时间的推移释放能量。以下是Swift探测到的伽马射线暴的一小部分，它捕捉到了这些脉冲形状的多样性。（图片来源：美国国家航空航天局）

社区科学

我和我的同事通过美国国家航空航天局获得了志愿者的帮助，以识别脉冲结构。志愿者学习识别脉搏结构，然后在自己的电脑上查看图像并进行分类。

我们的初步结果表明，这些志愿者——也被称为公民科学家——可以快速学习和识别伽马射线脉冲的复杂结构。分析这些数据将有助于天文学家更好地了解这些神秘的爆发是如何产生的。

我们的团队希望了解样本中更多的伽马射线爆发是否挑战了之前的长短分类。我们将利用这些数据通过伽马射线暴观测更准确地探测宇宙历史。

这个名为“爆裂追逐者”的公民科学项目自我们的初步结果以来一直在发展，我们正在积极招募新的志愿者加入我们的行列，研究这些爆裂背后的神秘起源。