伽玛射线暴

BATSE实验所探测到的所有伽玛射线暴来源方向。爆发源的分布具有各向同性，并不集中于银河系平面（图的中间横线）。

1963年，包括美国和苏联在内的多国签署《部分禁止核试验条约》，但美国怀疑苏联仍然在秘密进行核试验。因此，美国发射了一系列名为帆船号卫星的太空伽玛射线探测器，目的是监测在太空进行的核试验所发出的伽玛射线。[12]世界协调时1967年7月2日14时19分，帆船3号和4号卫星探测到了一次伽玛射线闪光，但它却和所有已知的核爆特征截然不同。[13]洛斯阿拉莫斯国家实验室由雷·克勒贝萨德尔为首的负责团队对此并没有合理的解释，但也并不认为这是一次紧急事件，因此把数据暂时放在一边，有待进一步调查。接下来美国又接连发射了更多的帆船号卫星，器材也有所改进，但克勒贝萨德尔的团队仍然探测到一次又一次的神秘伽玛射线暴。团队在多个卫星的数据中比较探测到闪光的确切时间，以此推算出16次爆发的大约来源方向，[13]并完全排除了爆发来自于地球或太阳的可能性。探测数据并没有被列为机密。[14]在详细分析之后，1973年，克勒贝萨德尔等科学家在《天文物理期刊》上发表了〈来自宇宙的伽玛射线暴之观测〉一文。[10]

早期针对伽玛射线暴的猜想大多都把来源定在银河系以内。从1991年起，康普顿伽玛射线天文台（CGRO）所承载的爆发与暂现源探测仪（BATSE）记录了上千次伽玛射线暴，发现这些爆发事件来自于宇宙各个方向，而并不集中于任何一个方向，亦即爆发源的分布具有各向同性。[15]假如爆发源来自于银河系内，那么其分布会集中于银河系平面附近。科学家以此推断，伽玛射线暴一定来自于银河系以外。[16][17][18][19]然而，有些主张爆发来自于银河系内的模型仍然可以解释各向同性的分布。[16][20]

2018年10月，天文学家宣布，2017年发生的伽玛射线暴GRB 150101B和引力波事件GW170817很可能都是两颗中子星碰撞所产生的。这两件事件在伽玛射线、可见光和X光特征，乃至其所在星系的特性都有十分相似之处。因此，中子星碰撞事件所引发的千新星可能比科学界最初所预计的更为常见。[21][22][23][24]

2019年爆发的GRB 190114C释放出的伽玛射线能量高达1 TeV（一万亿电子伏特），是人类探测到能量最高的伽玛射线暴。[25]2021年，科学家探测到来自银河系能量为1.4 PeV的伽玛辐射，比最高能伽玛射线暴再高出一千倍左右，但它并不属于伽玛射线暴。[26]

余辉

意大利和荷兰合建的BeppoSAX卫星在1996年4月升空，它能够准确测量伽玛射线暴的来源方向，有助天文学家作后续观测并判断来源天体。

有多个解释伽玛射线暴原理的模型都预测，在最初伽玛射线闪光过后，爆炸产生的喷发物与星际物质高速碰撞，会产生波长较长、逐渐减弱的「余辉」。[31]最初探测并不成功，因为在爆发被发现后，很难即刻用其他波长观测爆发的准确方向。1997年2月，BeppoSAX卫星探测到GRB 970228事件[nb 2]。它紧接着将X光相机对向爆发来源的方向，成功探测到了X光余辉。威廉·赫歇耳望远镜也在原爆发的20小时之后，探测到了逐渐变暗的可见光余辉。[32]伽玛射线暴完全消熄之后，天文学家对可见光余辉的准确来源方向进行深空拍摄，发现一个暗淡而遥远的星系。[33][34]

由于该星系的光度太暗，因此天文学家在接下来的几年间都未能测量出其距离。同年，BeppoSAX卫星又测得新的事件GRB 970508。天文学家在仅仅4小时以内就算出它的方向，因而可以更早地开始进行针对性观测。从爆发源吸收光谱所得出的红移值为z = 0.835，相等于距离地球60亿光年。[35]科学家首次得出伽玛射线暴的准确距离，并找到了爆发来源——一个极遥远的星系。[33][36]这一发现在天文学界引发了争论，但争论在接下来的几个月内逐渐温和了下来。翌年，GRB 980425发生后不到一天又发生了超新星SN 1998bw，而且两者的来源位置相同。科学家从而发现，伽玛射线暴是和大质量恒星的爆炸息息相关的。[37]

美国太空总署尼尔·格雷尔斯雨燕天文台，2004年11月升空

虽然康普顿伽玛射线天文台和BeppoSAX卫星分别在2000年和2002年退役，但天文学界此时对伽玛射线暴这一新兴领域兴致勃勃，研发出一系列专门针对伽玛射线暴的探测仪器，特别用于观测紧随着爆发所发生的后续事件。高能暂现源探测仪（HETE-2）在2000年升空，2006年退役，这段时间内大部分伽玛射线暴都是由它发现的。[38]2004年升空的尼尔·格雷尔斯雨燕天文台（Swift）截至2022年仍在服役，是最成功的太空观测实验之一。[39][40]Swift搭载了一部敏感度极高的伽玛射线探测器以及X光和可见光望远镜，这些仪器均可以自动快速转向，充分捕捉爆发后的余辉。2008年升空的费米伽玛射线太空望远镜（简称费米）在一年内能够探测到数百次爆发，其中光度和能量极高的爆发可以用它搭载的大面积望远镜观测。科学家还对不少地面上的可见光望远镜做了升级，为它们安装了能够快速响应伽玛射线暴坐标网络消息的机械控制软件。在收到伽玛射线暴发生的消息之后，这些望远镜可以在几秒钟以内转向爆发源的方向，甚至在伽玛射线仍未熄灭之前就开始进行观测。[41][42]

自从2000年代以来，天文学家对伽玛射线暴有了更深入的了解。第一是意识到短伽玛射线爆发现象很可能和超新星无关，而是中子星碰撞合并所致。第二是发现大部分伽玛射线暴之后会有X光不稳定闪烁的现象，持续几分钟。第三是发现宇宙中最亮的天体（GRB 080319B）和当时已知最遥远的天体（GRB 090423）。[43][44]

伽玛射线暴的光变曲线

伽玛射线暴的光变曲线种类繁多，[45]而且每一次爆发的光变曲线都是独一无二的。[46]爆发时长短至数毫秒，长至数十分钟。曲线可以有一个高峰，也可以由多个小脉冲所组成。有的脉冲形状对称，有的则上坡快，下坡慢。有的爆发事件之前会出现伽玛射线暴前体，也就是先发生一次弱爆发，接着几秒钟至几分钟内毫无动静，然后在发生真正的强烈伽玛射线暴。[47]有些光变曲线曲折复杂，似乎毫无规律可言。[30]

尽管科学家能够利用某些简化的模型推导出大约类似的光变曲线，[48]但在曲线为何如此复杂多变的问题上却没有太大的进展。科学家提出了不少分类法，但这些分类规则往往只看光变曲线的表面化特征，而不看爆发来源天体的确切性质。不过，伽玛射线暴的爆发时长[nb 3]分布呈双峰特征，意味着存在两大类爆发：一类为平均0.3秒长的短爆发，另一类为平均30秒长的长爆发。[49]分布的两个峰很宽，中间有一大片重叠的区域，在这片区域内的爆发很难判断属于长或短类。更进一步的分类法还会考虑爆发时长以外的观测或理论因素。[50][51][52][53]

短伽玛射线暴

哈勃太空望远镜拍摄的千新星爆发余辉。[54]

ALMA拍摄的GRB 211106A，这是科学家首次拍到短伽玛射线暴的毫米波长余辉。[55][56][57]

短伽玛射线暴指的是持续时间不到2秒的伽玛射线暴。此类爆发占所有爆发的三成左右。2005年以前，科学家从未观测到来自短爆发的余辉，因此对此类爆发的来源所知甚少。[58]自此，科学家已观测到数十次短爆发的余辉，并判断出其确切方向。他们发现，有的短爆发来自于恒星形成较少或不形成恒星的区域，例如大型椭圆星系和大型星系团的中心区域，[59][60][61][62]意味着短爆发和大质量恒星无关。另外，短爆发与超新星也没有关联，因此短爆发和长爆发是两种背后原理不同的现象。[63]

科学家最初推测，短爆发是两颗中子星相互碰撞[64]或一颗中子星与一个黑洞相撞的结果。此类碰撞所产生的爆发星体称为千新星。[65]天文学家在GRB 130603B爆发期间也观测到了一颗有所关联千新星。[66][67][68]由于狭义相对论消息不可超越光速传递的原理，短爆发之短又意味着爆发源天体的体型必定是小的。爆发时长为0.2秒，即爆发源的直径不超过0.2光秒（约6万公里，地球直径之四倍）。中子星在2秒以内落入黑洞并发出伽玛射线之后，其环绕黑洞公转的剩余物质（将不再是中子物质）将在数分钟至数小时内逐渐堕入黑洞，并发出X光。这能够解释天文学家所观测到的X光余辉。[58]

一部分短伽玛射线暴可能来自邻近星系中的软伽玛射线重复爆发源的大型耀斑。[69][70]

2017年，科学家探测到重力波事件GW170817，并且在仅仅1.7秒之后又探测到短伽玛射线暴GRB 170817A。在详细分析后，科学家确定此次事件来自两颗中子星碰撞所产生的千新星。[6][64]

恒星生成区发生伽玛射线暴的艺术示意图。爆炸产生的能量形成两条狭窄的射束，向相反方向射出。

虽然伽玛射线暴源都极其遥远，但它从地球上观测却光度很高。一般长伽玛射线暴的全波段绝对星等和银河系内一颗较亮的恒星相当，尽管前者有数十亿光年之遥，而后者（大部分肉眼可见恒星）只有几十光年左右的距离。大部分能量以伽玛射线的形式释放，某些伽玛射线暴也会伴随着光度很高的可见光爆发。例如，GRB 080319B离地球75亿光年，但伴随它的可见光爆发视星等为5.8，[80]相当于肉眼可见的最暗的恒星。这意味着，产生伽玛射线暴的都是能量极高的现象。假设伽玛射线暴源以球对称的形式爆发，那么GRB 080319B所释放的能量就约等于太阳的质量，即通过质能等价关系把整个太阳的质量都转化为辐射。[43]

伽玛射线暴是高度聚焦的爆炸事件，大部分爆炸能量都集中于准直光束中，形成狭窄的喷流。[81][82]喷流的角宽可以从余辉光变曲线的全波段「喷流骤停」时间直接估算出来，即当喷流无法再支持相对论性光束以致原本缓慢变暗的余辉骤然变暗的时间。[83][84]观测指出，不同爆发的喷流角宽有较大的差异，从2度至20度不等。[85]

由于爆发的能量是高度聚焦的，因此绝大部分爆发事件的光束都不朝向地球，也探测不到。当爆发光束正好朝向地球时，探测到的光度会比球对称的爆炸高得多。考虑到这一聚焦效应，一般伽玛射线暴所释放的能量大约为10⁴⁴ J，约等价于太阳质量的二千分之一，[85]但仍比地球的质量（5.5 × 10⁴¹ J）高许多倍。这和Ib和Ic超新星所释放的能量相近，亦符合理论模型。科学家曾观测到几个距离较近的伽玛射线暴和高光度超新星同时爆发的现象。[37]从近距离Ic超新星光谱中的高度不对称性[86]，以及通过在爆发一段时间以后喷流早已减速时做射电观测[87]，可得到伽玛射线暴高度聚焦的进一步证据。

相比长伽玛射线暴来说，短伽玛射线暴离地球较近，光度较低。[88]此类爆发的聚焦程度还没有被准确测量过，不过有科学家认为，短爆发的准直性比长爆发低，[89]甚至是完全发散的。[90]

沃尔夫–拉叶星WR 124及其周围的星云，由哈勃太空望远镜摄。沃尔夫–拉叶星很可能是长伽玛射线暴的前身天体。

大部分伽玛射线暴源离地球遥远，因此很难判断是哪一种天体发生爆发的。某些长伽玛射线暴和超新星相关，其来源星系也是活跃的恒星生成区，这都意味着长伽玛射线暴与大质量恒星密切相关。最广为接受的坍缩星模型主张，当质量极大、金属量低、高速自转的恒星在演化生命晚期，星核坍缩成为黑洞时，会发生长伽玛射线暴。[91]星核附近的物质往中心下降，形成漩涡状的高密度吸积盘，并沿旋转轴喷出两束相反的相对论性喷流，喷流冲破恒星外层，辐射出伽玛射线。也有其他模型主张恒星坍缩形成的是磁星而不是黑洞，其余生成过程基本不变。[92][93]

在银河系里，沃尔夫–拉叶星和此类恒星最为相似。沃尔夫–拉叶星温度极高、质量极高，其氢外层几乎已散失殆尽。从这一角度来看，海山二、阿佩普、WR 104都有在未来发生伽玛射线暴的可能性。[94]不过，科学家不能确定银河系恒星是否具备发生伽玛射线暴的所有必要特征。[95]

大质量恒星并不能解释所有的伽玛射线暴事件。有证据显示，某些短伽玛射线暴是在非恒星生成区或不含大质量恒星的区域发生，例如椭圆星系和银晕。[88]科学家认为，短伽玛射线暴最为可能是双中子星系统合并的结果。两颗相互公转的中子星因释放引力波而丧失能量并逐渐靠近，[96][97]直至被潮汐力突然撕裂，两者碰撞后形成一颗黑洞。物质向刚形成的黑洞堕落并形成吸积盘，同时释放出巨大的能量，这一阶段和坍缩星模型相似。其他还有林林总总解释短伽玛射线暴的模型，包括：中子星和黑洞合并，吸积盘引发中子星坍缩，原初黑洞蒸发，引力坍缩过程中的物质在黑洞事件视界外彻底瓦解成伽玛射线，等等。[98][99][100][101][102]

伽玛射线暴是如何把巨大的能量转换为电磁辐射，直至2010年还没有科学共识。[107]要成功解释伽玛射线暴，提出的模型必须用物理过程解释，天文观测到的各种光变曲线、光谱及其他特征是如何产生的。[108]尤其难以解释的是，某些爆发事件似乎有着非常高的能量转换效率，爆炸能量转换为伽玛射线的比率可高达一半以上。[109]对伴随着GRB 990123和GRB 080319B的可见光爆发的观测表明，[80][110]某些爆发的物理过程可能以逆康普顿散射为主。这一模型主张，原先存在的低能光子被爆炸中的相对论性电子散射，突然获得巨大的能量，成为伽玛射线。[111]

相对来说，科学家对伽玛射线暴后的长波长余辉（从X光至射电波）有更好的了解。没有即时转化为辐射的爆炸能量，就会以高速物质的形式存在，以接近光速的速度向外喷出，并与周边的星际物质碰撞，所产生的相对论性冲击波继续向星际空间进发。反弹回来的二次冲击波有可能再次进入向外进发的物质。冲击波内能量极高的电子在磁场的作用下加速，发出横跨大部分电磁波谱的同步辐射。[112][113]这一模型能够成功解释余辉在长时间后（爆炸后几个小时至几天）的特征，但它未能解释伽玛射线暴后短时间内的许多余辉特征。[114]

格林威治标准时间2015年10月27日22时40分，雨燕天文台累计发现了1000次伽玛射线暴。[115]

伽玛射线暴对生命有害，甚至有摧毁性的破坏力。地球位于银河系的外围，而在整个宇宙当中，适合生命繁衍的环境也正正是大星系外围密度较低的区域。从各类型星系的分布可以推算出，只有约10%的星系可以繁衍生命。而且，z大于0.5的高红移星系会高频率发生伽玛射线暴，恒星也过于密集，因此不宜生命。[116][117]

至今科学家观测到的伽玛射线暴都源自银河系以外极其遥远的地方，对地球没有任何威胁。不过，假如在银河系内离地球5千至8千光年处发生一次伽玛射线暴，[118]而且它所产生的高能喷流正指向地球，那么它就会对地球上的生态造成破坏，甚至有毁灭性的作用。目前所有卫星在宇宙中所观测到的伽玛射线暴总和频率为每天一次。截止2014年3月，最接近地球的伽玛射线暴为GRB 980425，距离为4千万秒差距（即1亿3千万光年，红移z = 0.0085），[119]，源于一个SBc型矮星系。[120]GRB 980425所释放的能量远远低于平均，它和Ib型超新星SN 1998bw相关。[121]

估算伽玛射线暴的确切发生频率并不容易。在一个银河系大小的星系里，长伽玛射线暴的发生频率估计为一万年一次到一百万年一次，[122]其中只有很小一部分的爆发会指向地球。因为科学家还不了解此类爆发的聚焦程度，所以短伽玛射线暴的发生频率就更是一个未知数，但应该和长伽玛射线暴相近。[123]

由于伽玛射线暴只会沿方向相反的两束喷流发出能量，因此只有在喷流方向的天体才会受到高能伽玛射线的放射。[124]

虽然在地球附近发生直指地球的摧毁性伽玛射线暴目前只是一个理论可能，但可以肯定的是，银河系内其它高能量现象已经对地球的大气有所影响。[125]

由恒星坍缩引发的短伽玛射线暴臆想图。[132]

科学家从未观测到来自地球所处的银河系以内的伽玛射线暴。[133]银河系内在过去是否发生过爆发，也是一个未解之谜。随着科学界对伽玛射线暴及其前身天体的了解不断提升，人们也逐一记下可能在过去发生过或在将来会发生爆发的各个系内天体。如今观测到的长伽玛射线暴都和超高光度超新星（又称极超新星）相关，而大部分高光度蓝变星和高速自转的沃尔夫–拉叶星都被认为会以星核坍缩超新星的形式死亡，并伴随长伽玛射线暴。需要谨慎的是，科学家目前对伽玛射线暴的了解全部来自宇宙历史长河中较早期的星系，而此类星系的金属量很低，很难把其中恒星的演化过程直接套用于银河系这类金属量较高的后期星系。[134][135][136]

1. 例外的是1979年3月5日爆发的GRB 790305b。此次光度极高的闪光过后，天文学家成功地追寻到它的来源——大麦哲伦星系内的超新星遗骸N49。今天科学家认为此次事件是一次磁星大型耀发，其实更像软伽玛射线重复爆发源，而不是「真正」的伽玛射线暴。
2. 伽玛射线暴的命名方式如下：GRB是伽玛射线暴的缩写，其后是各两位数的年、月、日，再接着是以字母代表当天发现的伽玛射线暴顺序，A为当天首个，B为当天第二个，如此类推。2010年之前发生的伽玛射线暴只有在当天探测到多于一次爆发事件时，才会附上字母顺序。
3. 爆发时长一般以T90定义，即爆发源释放能量总值的90%所需的时间。天文学家发现，有些原以为是短爆发的伽玛射线暴，其发生后还会出现一次更长的爆发。如果把后者纳入到光变曲线之内，所得的T90值就会延长至几分钟。

• Vedrenne, G.; Atteia, J.-L. . Springer. 2009. ISBN 978-3-540-39085-5.
• Chryssa Kouveliotou; Stanford E. Woosley; Ralph A. M. J. (编). . Cambridge: Cambridge University Press. 2012. ISBN 978-0-521-66209-3.
• Bing Zhang. . Cambridge: Cambridge University Press. 2018. ISBN 9781139226530.

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伽玛射线暴探测任务

• 尼尔·格雷尔斯雨燕天文台:
  • 美国太空总署雨燕天文台官网首页
  • 英国雨燕科学数据中心 （页面存档备份，存于）
  • 宾夕法尼亚州立大学雨燕任务操作中心 （页面存档备份，存于）
• 高能暂现源探测仪HETE-2 （页面存档备份，存于）
• 国际伽玛射线天体物理实验室INTEGRAL （页面存档备份，存于）（维基百科条目）
• 爆发与暂现源探测仪BATSE
• 费米伽玛射线太空望远镜 （页面存档备份，存于）（维基百科条目）
• 伽玛射线轻型探测器AGILE （页面存档备份，存于）（维基百科条目）
• 高能X光巡天望远镜EXIST （页面存档备份，存于）
• 美国太空总署的伽玛射线暴目录 （页面存档备份，存于）

伽玛射线暴事后追踪任务

• 伽玛射线暴座标网络GCN （页面存档备份，存于）
• 爆发观测与可见光暂现源探测系统BOOTES （页面存档备份，存于）（维基百科条目)
• 伽玛射线暴可见光及近红外线探测器GROND （页面存档备份，存于）
• 卡茨曼自动成像望远镜KAIT（维基百科条目)
• 可移动望远镜机械人系统MASTER （页面存档备份，存于）
• 机械人可见光暂现源搜索实验ROTSE （页面存档备份，存于）