伽马射线暴

伽马射线暴（Gamma-ray Burst, GRB）是天体物理学中一种短暂而强烈的高能辐射现象，其特点是由天空中某一特定方向发出大量伽马射线，持续时间从0.1秒至1000秒不等。这些伽马射线主要分布在0.1至100 MeV的能段内。GRB的发现可以追溯到1967年，当时美国通过间谍卫星监测核试验时意外观测到这一现象。自发现以来，伽马射线暴已成为天文学领域最为活跃的研究主题之一，并多次被《科学》杂志评为年度十大科技进展之一。

在初始的伽马射线闪光之后，通常会伴随着更长时间尺度上的“余辉”现象，这些余辉覆盖了从X射线、紫外线、可见光、红外线直至微波和无线电波段的宽频带。

伽马射线暴（GRBs）是宇宙中能量极高的爆炸事件，其发生源位于数十亿光年之外的星系。这些事件虽罕见，但在几秒内释放的能量可超过太阳在其百亿年寿命中累积的能量。尽管历史上观测到的GRBs均来自银河系外，但存在一种类似现象——软伽马射线重复爆发源，它源自银河系内的磁星。

1967年，帆船号卫星首次探测到GRBs，随后科学家提出多种理论解释，如彗星或中子星碰撞等。由于缺乏观测数据，这些模型未获公认。直到1997年，天文学家同时探测到GRBs及其伴随的X光和可见光余辉，通过光谱学分析可见光红移，推算出爆发距离和总能量。结合对星系和超新星的研究，科学家准确测量了GRBs的距离和光度，证实其确实源于遥远星系。

伽马射线，一种高能电磁波，源自距离地球数十亿光年的遥远星系。这些射线的产生可能与星系的大爆炸事件密切相关，其持续时间从几毫秒至几分钟不等。在爆炸末期，伽ma射线释放的能量极其巨大，甚至超过太阳在其整个生命周期中释放的能量总和。这种强烈的能量释放通常与超新星爆炸相关联，即大质量恒星在爆炸过程中形成中子星或黑洞时产生的。

迄今为止，所有检测到的伽ma射线暴均发生在银河系之外，这对地球生命而言是一个幸运的事实。因为如果这类爆炸事件在银河系内发生，其释放的电磁能量足以灭绝地球上的所有生命。然而，目前科学界尚未完全理解伽ma射线暴的具体产生机制，也未能将其与特定的超新星爆炸事件直接关联起来。

伽马射线暴（GRBs）的光变曲线表现出显著的多样性和复杂性，每个爆发事件的光变模式都是独特的。这些事件的时间尺度跨度从几毫秒到数十分钟不等。光变曲线可呈现单一峰值或由多个子脉冲构成，其中脉冲形态既有对称的，也有快速上升后缓慢下降的非对称型。部分GRBs在主爆发前会有预兆性的弱爆发活动，即先发生一个较弱的事件，之后经历数秒至数分钟的静默期，随后才出现强烈的伽马射线爆发。此外，一些GRBs的光变曲线极为复杂，难以识别出明显的规律性特征。

尽管科学家能够利用简化的模型推导出类似的光变曲线，但在理解其复杂多变性方面进展有限。这些简化模型只能大致再现一些光变曲线的特征，无法完全解释观测到的各种现象。目前提出的分类方案大多基于光变曲线外观上的差异，可能未能准确反映爆炸祖先的实际物理差异。然而，伽马射线暴的观测数据显示出一个明显的双峰分布，表明存在两个独立的群体：短时暴和长时暴。短时暴的平均持续时间约为0.3秒，而长时暴的平均持续时间约为30秒。这两个群体之间存在一个广泛的重叠区域，使得仅凭持续时间难以明确事件的身份。此外，还有基于观测和理论提出的其他类别，以进一步细化对伽马射线暴的理解。

伽马射线暴主要分为两类：长伽马射线暴和短伽马射线暴。其中，长伽马射线暴的持续时间超过2秒，因其较长的持续时间和强烈的余辉效应，使得科学家能够进行更为详细的观测与分析。相较于短暂的爆发类型，长伽马射线暴提供了更多信息，帮助科学家们对其有了更深入的理解。绝大多数经过详细研究的案例显示，这种长时间的爆发通常来源于那些正处于快速恒星形成阶段的星系，有时甚至可以直接关联到大质量恒星的死亡过程，如核坍缩超新星。此外，通过对高红移长伽马射线暴的后续余辉进行分析，研究人员发现这些事件同样发生在活跃的恒星诞生区内。

短伽马射线暴是一种持续时间不足两秒的天文事件，占伽马射线暴总数的约30%。直到2005年之前，科学家对这些事件的余辉探测一直未能成功，导致对其起源了解有限。自那以后，通过精确定位和探测，已经记录到数十次短伽马射线暴的余辉现象。这些观测结果表明，某些短伽马射线暴与恒星形成较少或没有新恒星形成的星系相关联，例如大型椭圆星系。这一发现排除了短伽马射线暴与大质量恒星死亡过程的联系，进一步证实了它们在物理性质上与长伽马射线暴的不同。此外，研究也未发现短伽马射线暴与超新星爆炸之间的关联。

科学家最初提出的一种可能解释是，短伽马射线暴可能是由两颗中子星相互碰撞，或者一颗中子星与黑洞相撞所产生的。这类极端天体事件可能导致所谓的“千新星”现象。在GRB 130603B事件期间，天文学家确实观测到了与此类理论相符的千新星现象。根据狭义相对论，信息无法超越光速传播，因此短伽马射线暴的短暂性暗示了爆发源天体的尺寸非常小。具体来说，一个0.2秒的爆发时间意味着其直径不会超过0.2光秒（大约6万公里，即地球直径的四倍）。当中子星在两秒内落入黑洞并发出伽马射线后，围绕黑洞公转的其余物质会在接下来的数分钟至数小时内逐渐落入黑洞，同时发出X射线。这一过程为天文学家所观测到的X射线余辉提供了合理的解释。

部分短伽马射线暴或许源自邻近星系软伽马射线重复爆发源的大规模耀斑现象。

2017 年，引力波事件 GW170817 被科学家成功探测到，仅 1.7 秒后，短伽马射线暴 GRB 170817A 亦随之被观测到。经深入研究分析证实，该事件发生于两颗中子星碰撞所产生的千新星过程之中。

超长伽马射线暴（Ultra-Long Gamma-Ray Bursts, ULGRBs）是一类特殊的天体现象，其特征为持续时间远超传统伽马射线暴，达到数小时之久。这类事件可能源于极端的宇宙过程，如蓝色超巨星的核心坍缩、潮汐力导致的天体撕裂或新生磁星的形成。尽管已识别出的ULGRB事件数量有限，但它们主要通过长时间伽马射线发射来定义。

在众多研究中，GRB 101225A和GRB 111209A这两个案例受到了广泛关注。这些事件的低观测率可能并非真实反映了宇宙中此类事件的发生频率，而是受限于现有探测技术对于长时间事件的检测能力不足。此外，2013年的一项研究指出，当前关于是否存在一个独立于已知类别之外的新类型前体的超长伽马射线暴群体的证据尚不充分，强调了需要通过多波段观测来进一步验证这一假设的重要性。

ULGRBs作为天文物理学中的一个重要研究方向，不仅挑战着我们对宇宙极端条件下物理过程的理解，也促使科学家们不断优化观测技术和理论模型，以期揭示更多隐藏在宇宙深处的秘密。

在1997年12月14日，一次伽马射线暴在距离地球120亿光年的遥远位置发生。其释放的能量极其巨大，远超超新星爆发数百倍。在短短50秒内，该伽马射线暴所释放的伽马射线能量相当于银河系200年的总辐射能量。在一两秒的时间内，该伽马射线暴的亮度与除它以外的整个宇宙相当。此外，在其周围数百千米的范围内，出现了类似宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密环境。

1999年1月23日，另一次更加猛烈的伽马射线暴发生，其释放出的能量是1997年那次的10倍。

到了2004年，美国宇航局的研究揭示，地球曾遭受来自50万光年远的中子星“SGR1806-20”发出的强烈伽马射线脉冲束的影响。这一能量巨大的事件不仅照亮了地球大气层，而且其亮度超越了满月，甚至超过了之前观测到的任何太阳系外天体。该现象发生在2004年12月27日，当时中子星的磁场重新排列，释放出了一次异常的能量爆发。这次事件导致大量人造卫星出现故障，并使地球顶端大气层发生了电离化。

2009年4月23日，天文学家观测到距离地球131亿光年的伽马射线暴，这是人类迄今为止观测到的最遥远天体。该事件源于宇宙起源后不到7亿年的强烈爆炸。进一步的研究显示，这类黑暗伽马射线暴在宇宙早期阶段所有伽马射线暴中仅占0.2%至0.7%，表明在宇宙起源的早期并没有频繁发生恒星形成现象。

伽马射线暴

2013年，科学家们捕获了能量达950亿电子伏特的高能光子，其于2013年4月27日抵达地球。这些光子源自距离我们38亿光年的GRB130427A伽马射线暴。此伽马射线暴的余晖持续时间较长，直至2013年9月仍可被监测到，显示出其源头是一颗质量在20至30个太阳质量之间的高速旋转巨型恒星的爆炸。这颗恒星最终在引力作用下坍缩至半径仅为太阳半径的3至4倍。此类现象典型地出现在大质量“沃尔夫-拉叶星”（WR星）上。

2016年6月，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜观测到了名为“GRB 160625B”的伽马射线暴。在此之前，研究人员记录下一道短暂的闪光，这提供了独特的机会目睹并记录了随后更为剧烈的爆炸过程。据英国巴斯大学的卡罗尔·蒙代尔教授表示，尽管伽马射线暴通常瞬息即逝，但在这次事件中，科学家们提前捕捉到了持续约一秒的闪光，使得主要射线暴在大约100秒后发生时，他们已做好充分准备进行观测。此次射线暴的持续时间异常长，达到几分钟，这是极为罕见的现象。尽管该射线暴源自遥远的宇宙深处，但其亮度极高，引起了广泛关注。超快机器人望远镜成功捕获了事件初期的光线，这一成就令所有参与者感到兴奋不已。

2022年10月16日，中国科学院高能物理研究所（中科院高能所）宣布，其负责建设和运行的三大科学装置——中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）、“高能爆发探索者”（HEBS）和“慧眼”卫星（Insight-HXMT），通过天地联合探测系统，首次捕捉到了迄今人类观测到最亮的伽马射线暴（GRB），编号为GRB 221009A。该事件打破了多项关于伽马射线暴光子能量及亮度的记录。

随后的研究指出，天文学家在对两个短伽玛射线暴中的振荡信号进行分析后认为，这些信号可能是由两颗中子星（大质量恒星死亡后形成的致密核心）合并形成大质量中子星的过程产生的。这一发现为进一步研究此类极端宇宙现象提供了新的线索。

特别是对于编号为GRB 221009A的伽马射线暴，“慧眼”卫星与“极目”空间望远镜共同精确测量了该伽马射线暴的亮度，比之前观察到的任何一次伽马暴都要亮出50倍。此次研究成果不仅刷新了人类对宇宙中极端爆炸现象的理解，也标志着我国在高能天体物理领域取得了重要进展。

中国科学院高能物理研究所的科研人员利用位于四川稻城高海拔宇宙线观测站，完成了对一次伽马射线暴的全程监测。这一事件标志着人类首次全面记录下此类高能爆发现象的所有阶段。该研究成果于2023年6月9日在国际学术期刊《科学》（Science）上在线发表。