伽馬射線暴

伽馬射線暴（Gamma-ray Burst, GRB）是天體物理學(xué)中一種短暫而強(qiáng)烈的高能輻射現(xiàn)象，其特點(diǎn)是由天空中某一特定方向發(fā)出大量伽馬射線，持續(xù)時(shí)間從0.1秒至1000秒不等。這些伽馬射線主要分布在0.1至100 MeV的能段內(nèi)。GRB的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1967年，當(dāng)時(shí)美國(guó)通過(guò)間諜衛(wèi)星監(jiān)測(cè)核試驗(yàn)時(shí)意外觀測(cè)到這一現(xiàn)象。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，伽馬射線暴已成為天文學(xué)領(lǐng)域最為活躍的研究主題之一，并多次被《科學(xué)》雜志評(píng)為年度十大科技進(jìn)展之一。

在初始的伽馬射線閃光之后，通常會(huì)伴隨著更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的“余輝”現(xiàn)象，這些余輝覆蓋了從X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線直至微波和無(wú)線電波段的寬頻帶。

伽馬射線暴（GRBs）是宇宙中能量極高的爆炸事件，其發(fā)生源位于數(shù)十億光年之外的星系。這些事件雖罕見(jiàn)，但在幾秒內(nèi)釋放的能量可超過(guò)太陽(yáng)在其百億年壽命中累積的能量。盡管歷史上觀測(cè)到的GRBs均來(lái)自銀河系外，但存在一種類似現(xiàn)象——軟伽馬射線重復(fù)爆發(fā)源，它源自銀河系內(nèi)的磁星。

1967年，帆船號(hào)衛(wèi)星首次探測(cè)到GRBs，隨后科學(xué)家提出多種理論解釋，如彗星或中子星碰撞等。由于缺乏觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些模型未獲公認(rèn)。直到1997年，天文學(xué)家同時(shí)探測(cè)到GRBs及其伴隨的X光和可見(jiàn)光余輝，通過(guò)光譜學(xué)分析可見(jiàn)光紅移，推算出爆發(fā)距離和總能量。結(jié)合對(duì)星系和超新星的研究，科學(xué)家準(zhǔn)確測(cè)量了GRBs的距離和光度，證實(shí)其確實(shí)源于遙遠(yuǎn)星系。

伽馬射線，一種高能電磁波，源自距離地球數(shù)十億光年的遙遠(yuǎn)星系。這些射線的產(chǎn)生可能與星系的大爆炸事件密切相關(guān)，其持續(xù)時(shí)間從幾毫秒至幾分鐘不等。在爆炸末期，伽ma射線釋放的能量極其巨大，甚至超過(guò)太陽(yáng)在其整個(gè)生命周期中釋放的能量總和。這種強(qiáng)烈的能量釋放通常與超新星爆炸相關(guān)聯(lián)，即大質(zhì)量恒星在爆炸過(guò)程中形成中子星或黑洞時(shí)產(chǎn)生的。

迄今為止，所有檢測(cè)到的伽ma射線暴均發(fā)生在銀河系之外，這對(duì)地球生命而言是一個(gè)幸運(yùn)的事實(shí)。因?yàn)槿绻@類爆炸事件在銀河系內(nèi)發(fā)生，其釋放的電磁能量足以滅絕地球上的所有生命。然而，目前科學(xué)界尚未完全理解伽ma射線暴的具體產(chǎn)生機(jī)制，也未能將其與特定的超新星爆炸事件直接關(guān)聯(lián)起來(lái)。

伽馬射線暴（GRBs）的光變曲線表現(xiàn)出顯著的多樣性和復(fù)雜性，每個(gè)爆發(fā)事件的光變模式都是獨(dú)特的。這些事件的時(shí)間尺度跨度從幾毫秒到數(shù)十分鐘不等。光變曲線可呈現(xiàn)單一峰值或由多個(gè)子脈沖構(gòu)成，其中脈沖形態(tài)既有對(duì)稱的，也有快速上升后緩慢下降的非對(duì)稱型。部分GRBs在主爆發(fā)前會(huì)有預(yù)兆性的弱爆發(fā)活動(dòng)，即先發(fā)生一個(gè)較弱的事件，之后經(jīng)歷數(shù)秒至數(shù)分鐘的靜默期，隨后才出現(xiàn)強(qiáng)烈的伽馬射線爆發(fā)。此外，一些GRBs的光變曲線極為復(fù)雜，難以識(shí)別出明顯的規(guī)律性特征。

盡管科學(xué)家能夠利用簡(jiǎn)化的模型推導(dǎo)出類似的光變曲線，但在理解其復(fù)雜多變性方面進(jìn)展有限。這些簡(jiǎn)化模型只能大致再現(xiàn)一些光變曲線的特征，無(wú)法完全解釋觀測(cè)到的各種現(xiàn)象。目前提出的分類方案大多基于光變曲線外觀上的差異，可能未能準(zhǔn)確反映爆炸祖先的實(shí)際物理差異。然而，伽馬射線暴的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示出一個(gè)明顯的雙峰分布，表明存在兩個(gè)獨(dú)立的群體：短時(shí)暴和長(zhǎng)時(shí)暴。短時(shí)暴的平均持續(xù)時(shí)間約為0.3秒，而長(zhǎng)時(shí)暴的平均持續(xù)時(shí)間約為30秒。這兩個(gè)群體之間存在一個(gè)廣泛的重疊區(qū)域，使得僅憑持續(xù)時(shí)間難以明確事件的身份。此外，還有基于觀測(cè)和理論提出的其他類別，以進(jìn)一步細(xì)化對(duì)伽馬射線暴的理解。

伽馬射線暴主要分為兩類：長(zhǎng)伽馬射線暴和短伽馬射線暴。其中，長(zhǎng)伽馬射線暴的持續(xù)時(shí)間超過(guò)2秒，因其較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)烈的余輝效應(yīng)，使得科學(xué)家能夠進(jìn)行更為詳細(xì)的觀測(cè)與分析。相較于短暫的爆發(fā)類型，長(zhǎng)伽馬射線暴提供了更多信息，幫助科學(xué)家們對(duì)其有了更深入的理解。絕大多數(shù)經(jīng)過(guò)詳細(xì)研究的案例顯示，這種長(zhǎng)時(shí)間的爆發(fā)通常來(lái)源于那些正處于快速恒星形成階段的星系，有時(shí)甚至可以直接關(guān)聯(lián)到大質(zhì)量恒星的死亡過(guò)程，如核坍縮超新星。此外，通過(guò)對(duì)高紅移長(zhǎng)伽馬射線暴的后續(xù)余輝進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這些事件同樣發(fā)生在活躍的恒星誕生區(qū)內(nèi)。

短伽馬射線暴是一種持續(xù)時(shí)間不足兩秒的天文事件，占伽馬射線暴總數(shù)的約30%。直到2005年之前，科學(xué)家對(duì)這些事件的余輝探測(cè)一直未能成功，導(dǎo)致對(duì)其起源了解有限。自那以后，通過(guò)精確定位和探測(cè)，已經(jīng)記錄到數(shù)十次短伽馬射線暴的余輝現(xiàn)象。這些觀測(cè)結(jié)果表明，某些短伽馬射線暴與恒星形成較少或沒(méi)有新恒星形成的星系相關(guān)聯(lián)，例如大型橢圓星系。這一發(fā)現(xiàn)排除了短伽馬射線暴與大質(zhì)量恒星死亡過(guò)程的聯(lián)系，進(jìn)一步證實(shí)了它們?cè)谖锢硇再|(zhì)上與長(zhǎng)伽馬射線暴的不同。此外，研究也未發(fā)現(xiàn)短伽馬射線暴與超新星爆炸之間的關(guān)聯(lián)。

科學(xué)家最初提出的一種可能解釋是，短伽馬射線暴可能是由兩顆中子星相互碰撞，或者一顆中子星與黑洞相撞所產(chǎn)生的。這類極端天體事件可能導(dǎo)致所謂的“千新星”現(xiàn)象。在GRB 130603B事件期間，天文學(xué)家確實(shí)觀測(cè)到了與此類理論相符的千新星現(xiàn)象。根據(jù)狹義相對(duì)論，信息無(wú)法超越光速傳播，因此短伽馬射線暴的短暫性暗示了爆發(fā)源天體的尺寸非常小。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)0.2秒的爆發(fā)時(shí)間意味著其直徑不會(huì)超過(guò)0.2光秒（大約6萬(wàn)公里，即地球直徑的四倍）。當(dāng)中子星在兩秒內(nèi)落入黑洞并發(fā)出伽馬射線后，圍繞黑洞公轉(zhuǎn)的其余物質(zhì)會(huì)在接下來(lái)的數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)內(nèi)逐漸落入黑洞，同時(shí)發(fā)出X射線。這一過(guò)程為天文學(xué)家所觀測(cè)到的X射線余輝提供了合理的解釋。

部分短伽馬射線暴或許源自鄰近星系軟伽馬射線重復(fù)爆發(fā)源的大規(guī)模耀斑現(xiàn)象。

2017 年，引力波事件 GW170817 被科學(xué)家成功探測(cè)到，僅 1.7 秒后，短伽馬射線暴 GRB 170817A 亦隨之被觀測(cè)到。經(jīng)深入研究分析證實(shí)，該事件發(fā)生于兩顆中子星碰撞所產(chǎn)生的千新星過(guò)程之中。

超長(zhǎng)伽馬射線暴（Ultra-Long Gamma-Ray Bursts, ULGRBs）是一類特殊的天體現(xiàn)象，其特征為持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)超傳統(tǒng)伽馬射線暴，達(dá)到數(shù)小時(shí)之久。這類事件可能源于極端的宇宙過(guò)程，如藍(lán)色超巨星的核心坍縮、潮汐力導(dǎo)致的天體撕裂或新生磁星的形成。盡管已識(shí)別出的ULGRB事件數(shù)量有限，但它們主要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間伽馬射線發(fā)射來(lái)定義。

在眾多研究中，GRB 101225A和GRB 111209A這兩個(gè)案例受到了廣泛關(guān)注。這些事件的低觀測(cè)率可能并非真實(shí)反映了宇宙中此類事件的發(fā)生頻率，而是受限于現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間事件的檢測(cè)能力不足。此外，2013年的一項(xiàng)研究指出，當(dāng)前關(guān)于是否存在一個(gè)獨(dú)立于已知類別之外的新類型前體的超長(zhǎng)伽馬射線暴群體的證據(jù)尚不充分，強(qiáng)調(diào)了需要通過(guò)多波段觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證這一假設(shè)的重要性。

ULGRBs作為天文物理學(xué)中的一個(gè)重要研究方向，不僅挑戰(zhàn)著我們對(duì)宇宙極端條件下物理過(guò)程的理解，也促使科學(xué)家們不斷優(yōu)化觀測(cè)技術(shù)和理論模型，以期揭示更多隱藏在宇宙深處的秘密。

在1997年12月14日，一次伽馬射線暴在距離地球120億光年的遙遠(yuǎn)位置發(fā)生。其釋放的能量極其巨大，遠(yuǎn)超超新星爆發(fā)數(shù)百倍。在短短50秒內(nèi)，該伽馬射線暴所釋放的伽馬射線能量相當(dāng)于銀河系200年的總輻射能量。在一兩秒的時(shí)間內(nèi)，該伽馬射線暴的亮度與除它以外的整個(gè)宇宙相當(dāng)。此外，在其周圍數(shù)百千米的范圍內(nèi)，出現(xiàn)了類似宇宙大爆炸后千分之一秒時(shí)的高溫高密環(huán)境。

1999年1月23日，另一次更加猛烈的伽馬射線暴發(fā)生，其釋放出的能量是1997年那次的10倍。

到了2004年，美國(guó)宇航局的研究揭示，地球曾遭受來(lái)自50萬(wàn)光年遠(yuǎn)的中子星“SGR1806-20”發(fā)出的強(qiáng)烈伽馬射線脈沖束的影響。這一能量巨大的事件不僅照亮了地球大氣層，而且其亮度超越了滿月，甚至超過(guò)了之前觀測(cè)到的任何太陽(yáng)系外天體。該現(xiàn)象發(fā)生在2004年12月27日，當(dāng)時(shí)中子星的磁場(chǎng)重新排列，釋放出了一次異常的能量爆發(fā)。這次事件導(dǎo)致大量人造衛(wèi)星出現(xiàn)故障，并使地球頂端大氣層發(fā)生了電離化。

2009年4月23日，天文學(xué)家觀測(cè)到距離地球131億光年的伽馬射線暴，這是人類迄今為止觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)天體。該事件源于宇宙起源后不到7億年的強(qiáng)烈爆炸。進(jìn)一步的研究顯示，這類黑暗伽馬射線暴在宇宙早期階段所有伽馬射線暴中僅占0.2%至0.7%，表明在宇宙起源的早期并沒(méi)有頻繁發(fā)生恒星形成現(xiàn)象。

伽馬射線暴

2013年，科學(xué)家們捕獲了能量達(dá)950億電子伏特的高能光子，其于2013年4月27日抵達(dá)地球。這些光子源自距離我們38億光年的GRB130427A伽馬射線暴。此伽馬射線暴的余暉持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直至2013年9月仍可被監(jiān)測(cè)到，顯示出其源頭是一顆質(zhì)量在20至30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間的高速旋轉(zhuǎn)巨型恒星的爆炸。這顆恒星最終在引力作用下坍縮至半徑僅為太陽(yáng)半徑的3至4倍。此類現(xiàn)象典型地出現(xiàn)在大質(zhì)量“沃爾夫-拉葉星”（WR星）上。

2016年6月，美國(guó)國(guó)家航空航天局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了名為“GRB 160625B”的伽馬射線暴。在此之前，研究人員記錄下一道短暫的閃光，這提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)目睹并記錄了隨后更為劇烈的爆炸過(guò)程。據(jù)英國(guó)巴斯大學(xué)的卡羅爾·蒙代爾教授表示，盡管伽馬射線暴通常瞬息即逝，但在這次事件中，科學(xué)家們提前捕捉到了持續(xù)約一秒的閃光，使得主要射線暴在大約100秒后發(fā)生時(shí)，他們已做好充分準(zhǔn)備進(jìn)行觀測(cè)。此次射線暴的持續(xù)時(shí)間異常長(zhǎng)，達(dá)到幾分鐘，這是極為罕見(jiàn)的現(xiàn)象。盡管該射線暴源自遙遠(yuǎn)的宇宙深處，但其亮度極高，引起了廣泛關(guān)注。超快機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡成功捕獲了事件初期的光線，這一成就令所有參與者感到興奮不已。

2022年10月16日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（中科院高能所）宣布，其負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)行的三大科學(xué)裝置——中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）、“高能爆發(fā)探索者”（HEBS）和“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT），通過(guò)天地聯(lián)合探測(cè)系統(tǒng)，首次捕捉到了迄今人類觀測(cè)到最亮的伽馬射線暴（GRB），編號(hào)為GRB 221009A。該事件打破了多項(xiàng)關(guān)于伽馬射線暴光子能量及亮度的記錄。

隨后的研究指出，天文學(xué)家在對(duì)兩個(gè)短伽瑪射線暴中的振蕩信號(hào)進(jìn)行分析后認(rèn)為，這些信號(hào)可能是由兩顆中子星（大質(zhì)量恒星死亡后形成的致密核心）合并形成大質(zhì)量中子星的過(guò)程產(chǎn)生的。這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步研究此類極端宇宙現(xiàn)象提供了新的線索。

特別是對(duì)于編號(hào)為GRB 221009A的伽馬射線暴，“慧眼”衛(wèi)星與“極目”空間望遠(yuǎn)鏡共同精確測(cè)量了該伽馬射線暴的亮度，比之前觀察到的任何一次伽馬暴都要亮出50倍。此次研究成果不僅刷新了人類對(duì)宇宙中極端爆炸現(xiàn)象的理解，也標(biāo)志著我國(guó)在高能天體物理領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科研人員利用位于四川稻城高海拔宇宙線觀測(cè)站，完成了對(duì)一次伽馬射線暴的全程監(jiān)測(cè)。這一事件標(biāo)志著人類首次全面記錄下此類高能爆發(fā)現(xiàn)象的所有階段。該研究成果于2023年6月9日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表。