伽玛射线暴

伽玛射线暴（Gamma Ray Burst，缩写GRB），又称伽玛暴，是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，持续时间在0.01-1000秒，辐射主要集中在0.1-100 MeV的能段。伽玛暴发现于1967年，数十年来，人们对其本质了解得还不很清楚，但基本可以确定是发生在宇宙学尺度上的恒星级天体中的爆发过程。伽玛暴是目前天文学中最活跃的研究领域之一，曾在1997年和1999年两度被美国《科学》杂志评为年度十大科技进展之列。20世纪60年代，美国发射了船帆座卫星（英语：Vela (satellite)），上面安装有监测伽玛射线的仪器，用于在签署部分禁止核试验条约之后，监视苏联进行核试验时产生的大量伽玛射线。1967年，这颗卫星发现来自宇宙的伽玛射线突然增强，随即又快速减弱，这种现象是随机发生的，大约每天发生一到两次，强度可以超过全天伽玛射线的总和，并且来源不在地球，而是宇宙空间。由于保密原因，关于伽玛射线暴的首批观测资料直到1973年才发表，并很快得到苏联Konus卫星的证实。由于伽玛暴的持续时间非常短暂，而且方向不好确定，起初对伽玛暴的研究进展十分缓慢，连距离这样的基本物理量都难以测定。1980年代，基于Ginga卫星的观测结果，许多人相信伽玛射线暴是发生在银河系中的一种现象，成因与中子星有关，并围绕中子星建立起数百个模型。20世纪80年代中期，美籍波兰裔天文学家玻丹·帕琴斯基提出，伽玛射线暴发生在银河系外，是位于宇宙学距离上的遥远天体，然而这种观点并没有得到普遍认可。1991年美国发射了康普顿伽玛射线天文台（CGRO），这颗卫星的八个角上安装了八台同样的仪器BATSE，能够定出伽玛射线暴的方向，精度大约为几度。几年时间里，对3000余个伽玛暴的系统巡天发现，伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的，支持了伽玛射线暴是发生在遥远的宇宙学尺度上的观点，并且引发了帕琴斯基与另一位持相反观点的科学家拉姆的大辩论。如果伽玛射线暴确实位于宇宙学尺度上，那么由它的亮度可以推断，伽玛暴必定具有非常巨大的能量，往往在几秒时间里释放出的能量就相当于几百个太阳一生中所释放出的能量总和，是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发。例如1997年12月14日发生的一次伽玛暴，距地球120亿光年，在爆发后一两秒内，其亮度就与除它以外的整个宇宙一样明亮，它在50秒内释放出的能量相当于银河系200年的总辐射能量，比超新星爆发还要大几百倍。在它附近的几百千米范围内，再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。而1999年1月23日发生的一次伽玛暴比这还要猛烈十倍。1996年，意大利和荷兰合作发射了BeppoSAX卫星，这颗卫星能够准确地测定伽玛射线暴的方位，定位精度约为50角秒，这就为地面上的望远镜在伽玛暴未消逝之前寻找其光学对应体提供了强有力的支持。在它的帮助下，天文学家们率先发现了1997年2月28日爆发的一个伽玛暴的光学对应体，称为伽玛暴的“光学余辉”。后来又陆续发现数个类似的余辉，不仅有可见光波段的，还有射电波段、X射线波段，并且还证认出了伽玛暴的宿主星系。对宿主星系红移的观测证实，伽玛暴远在银河系以外，是宇宙学距离上的天体。余辉的发现使人们能够在伽玛暴发生后数月甚至数年的时间里对其进行持续观测，大大推动了伽玛暴的研究。BeppoSAX号卫星一直运作直到2002年，和CGRO（与BATSE）在2000年脱离轨道。但是，伽马射线暴研究的革命激励开发一些专门设计的附加工具的来探索伽玛射线暴的性质，尤其是在紧随爆炸以后的最早时刻。其中至今最成功的太空飞行任务，雨燕卫星，在2004年被发射，截至2014年仍处于运行状态。2004年11月20日，美国宇航局发射了用于探测伽玛暴的雨燕卫星，它最大的特点是反应迅速，能够对转瞬即逝的伽玛暴进行快速的响应。2008年6月，费米卫星成功发射，它搭载了伽玛射线爆发监控仪器（Gamma-Ray Burst Monitor，缩写为GBM），可以每年数百次爆发的速度探测，其中有一些是有极高的能量足够亮到可以用费米大面积望远镜（Large Area Telescope，缩写为LAT）进行观察。伽玛射线的持续时间一般在0.01秒到1000秒左右，以2秒为界，大致可以分为长暴（long burst）和短暴（short burst）两类，典型的持续时间分别为30.0秒和0.3秒。时变的轮廓比较复杂，往往具有多峰的结构。长暴的能谱较硬，短暴的能谱较软。伽玛射线暴爆发过后会在其它波段观测到辐射，称为伽玛射线暴的余辉。根据波段不同可分为X射线余辉、光学余辉、射电余辉等。余辉通常是随时间而指数式衰减的，X射线余辉能够持续几个星期，光学余辉和射电余辉能够持续几个月到一年。伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的，但远距离的伽玛射线暴明显少于近距离的，显示出非均匀各向同性，可以被膨胀宇宙学模型所支持，表明伽玛射线暴是发生在宇宙学距离上的。一般认为长暴产生于大质量恒星塌缩为黑洞的过程。1998年发现伽玛暴GRB 980425与一个超新星SN Ib/Ic 1998bw 相关联。这是一个重要的发现，暗示伽玛暴的成因可能是大质量恒星的死亡。2002年，一个英国的研究小组研究了由XMM-牛顿卫星对2001年12月的一次伽玛暴的长达270秒的X射线余辉的观测资料，发现了伽玛暴与超新星有关的证据，发表在2002年的《自然》杂志上。进一步的研究揭示，普通的超新星爆发有可能在几周到几个月之内导致伽玛射线暴。目前大质量恒星的死亡会产生伽玛暴这一观点已经得到普遍认同。短暴产生于两个致密天体如中子星或黑洞的并合。GW170817/GRB 170817A的发现证实了这一模型。