据两组天文学家今天在《自然》杂志上报道，宇宙中最强大的爆炸变得更加强大。
几乎每天，伽马射线暴 (GRB) 都会在没有任何预警的情况下从宇宙的深处席卷地球。人们认为，每次伽马射线暴都标志着黑洞的灾难性诞生，原因可能是大质量恒星的坍缩或中子星的合并。由于典型的 GRB 在短短几秒钟内释放出的能量超过太阳在其 100 亿年生命周期内产生的总能量，因此几乎可以在整个可见宇宙中看到它。
前提是您拥有合适的设备。虽然我们的眼睛看不见伽马射线，但它们威力巨大。事实上，它们的能量非常高，以至于它们会以无情的效率撕裂地球大气层中的原子和分子，在到达地面望远镜之前就完全消失在稀薄的空气中。自从 20 世纪 60 年代末美国政府卫星在地球及其周围地区监视核爆炸时首次偶然发现伽马射线以来，GRB 发出的伽马射线主要由太空天文台监测。然而，此类设施上的探测器太小，无法灵敏地探测到理论家预测 GRB 应该发出的最高能量伽马射线的一小部分——因此没有人真正知道 GRB 到底有多强大。在过去的三十年中，天文学家一直试图通过使用更大的地面望远镜阵列来观测超高能伽马射线撞击高层大气层时产生的微弱光芒（称为切伦科夫光），从而捕捉到这些难以捉摸的极端 GRB 辐射。但是，由于观测条件困难且仅限于最亮、最近的 GRB，所有这些努力均未成功——直到现在。
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在六个月的时间里，两个国际研究团队操作地面切伦科夫望远镜，独立探测到来自两个不同 GRB 的极端伽马射线。第一次观测发生在 2018 年 7 月，来自纳米比亚的高能立体观测系统 (HESS)，这是一个 28 米的望远镜阵列，它记录了来自一个名为 GRB 180720b 的事件的超过 100 吉电子伏特的伽马射线。第二次观测来自位于西班牙加那利群岛拉帕尔马岛的双 17 米大气层伽马成像切伦科夫望远镜 (MAGIC)，发生在 2019 年 1 月，针对一个名为 GRB 190114c 的事件。MAGIC 观测探测到来自 GRB 190114c 的 1 太电子伏特的伽马射线，并引发了来自全球望远镜的立即跟进观测活动。（100 吉电子伏特大约是可见光光子携带能量的 1000 亿倍，而 1 太电子伏特大约是可见光能量的万亿倍；这种能量在地球粒子加速器中是常规达到的，但以前从未从天体源记录到过。）
GRB 190114c 的衰退余辉（绿圈）在其宿主螺旋星系内，如图所示，这是哈勃太空望远镜在 2019 年 2 月 11 日和 3 月 12 日拍摄的两张组合图像。该星系位于天炉座中，距离地球约 55 亿光年。来源：NASA、ESA 和 V. Acciari 等人 2019 年
结果表明，GRB 最强烈的伽马射线的能量与所有较低能量辐射释放的能量总和相当——这意味着天文学家大约错过了任何给定 GRB 产生的总能量的一半。“我们的发现表明，GRB 比以前认为的更具能量，”位于慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的 MAGIC 团队成员、两篇 报告该团队对 2019 年 1 月爆发研究的论文的合著者拉兹米克·米尔佐扬说。“我们错失了很多能量……现在我们可以更好地限制表征 GRB 的各种参数，从而更好地理解这些怪物。”
HESS 团队成员、位于海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的 GRB 180720b 研究报告的合著者埃德娜·鲁伊斯·贝拉斯科说：“在我们进行这些探测之前，很难知道哪些 GRB 最有可能产生极高能伽马射线。“既然我们已经观察到了一些，就应该更容易确定要观察哪些 GRB 以及在它们身上花费多少时间，从而更有可能在未来探测到更多 GRB。”
余辉内部
GRB 分为两个阶段——最初，几乎纯伽马射线的强烈闪光，然后是缓慢衰退的宽带余辉。闪光持续长达一分钟，来自新生黑洞附近以接近光速喷射出的双喷流粒子；余辉是喷流撞击周围气体产生的冲击波，可以持续数月甚至数年。天文学家依靠 NASA 的 Swift 和 Fermi 卫星等敏捷的太空望远镜来探测 GRB 突然、短暂的闪光；这些探测会生成自动警报，发送到世界各地，以便地面和太空中的众多设施（包括 MAGIC 和 HESS）随后研究 GRB 的持久余辉。
MAGIC 和 HESS 不仅观测到不同的 GRB，还观测到余辉的不同阶段。HESS 对 GRB 180720b 的两个小时观测始于事件余辉的晚期，即 2018 年 7 月 20 日晚上，大约在 Swift 和 Fermi 最初探测到位于双鱼座附近的 GRB 之后 10 小时；直到事后，通过仔细分析他们的档案数据，HESS 团队才意识到他们已经捕捉到了超高能伽马射线，并在 2019 年 5 月 8 日在意大利博洛尼亚举行的一次研讨会上初步宣布了这一发现。
伽马射线暴的两个阶段示意图。最初的“瞬时辐射”伽马射线来自新生黑洞喷射出的粒子喷流；当喷流与周围物质碰撞时，它们会产生持续时间更长的“余辉”，从而在整个电磁频谱中辐射。来源：NASA 戈达德太空飞行中心
鲁伊斯·贝拉斯科说：“我们工作中最令人惊讶的信息是，我们仍然可以在爆发开始后几个小时深入探索 GRB 的余辉辐射。“借助未来的望远镜，我们将能够在时间和能量上走得更远。”
与 HESS 的长时间、后期凝视形成对比的是，当 Swift 和 Fermi 警报在 2019 年 1 月 14 日晚上发出，宣布天炉座中发生了 GRB 190114c 时，MAGIC 望远镜在不到一分钟的时间内转向观测余辉。在最初 20 分钟的观测中，MAGIC 从 GRB 190114c 新鲜的余辉中捕获了数千个高能光子。
米尔佐扬回忆说：“我们立即开始写电子邮件并致电我们在西班牙、德国和日本等许多国家的分析专家。“在交换了 64 封电子邮件和多次通话后，我意识到我们有了一个真正的发现。”在最初警报发出四小时后，米尔佐扬及其同事向世界各地的天文学家发布了另一份更广泛的警报，最终征集了大约二十几个地面和太空仪器，以研究从无线电波到光学和 X 射线的广泛波长范围内的余辉。结合 MAGIC 的初始数据，以及最终来自 HESS 的测量结果，这项全球活动揭示了关于 GRB 如何产生天文学家见过的能量最高的光的新基本见解。
窥视峰值
研究人员几十年来都知道，GRB 余辉发出的大多数普通伽马射线都来自同步加速辐射，其中电子在强磁场中旋转时会释放光子。但是，能量超过 100 吉电子伏特的伽马射线的来源仍然是一个谜。主流理论认为，这些更高能量的辐射源于一种称为逆康普顿散射的过程，其中通过在磁场中回旋产生光子的相同电子随后与其中一些光子碰撞，从而进一步提高光子的能量。这些模型的关键预测是，GRB 余辉的能量分布将呈现出明显的“双峰”，一个峰来自同步加速辐射，另一个峰来自生成光子的最终增强。MAGIC 团队发起的 GRB 190114c 的多波长观测清楚地显示了完全相同的峰值，这也以更混乱的形式体现在 GRB 180720b 的 HESS 数据中。
早期对来自至少三个不同小组（包括一些由该理论的创始人领导的小组）的 MAGIC 数据进行独立调查，更加令人信服地证明了逆康普顿辐射的案例。“这些新的观测结果是 GRB 的‘罗塞塔石碑’，”耶路撒冷希伯来大学的天体物理学家茨维·皮兰说，他在 20 世纪 90 年代末与同事雷姆·萨里和拉梅什·纳拉扬开发了 一个有先见之明的 GRB 余辉模型。“它们使我们能够以前所未有的确定性和准确性揭示条件，并为我们理解 GRB 打开了一扇新的窗口。”皮兰与俄罗斯科学院的合作者叶夫根尼·德里舍夫合作，利用来自 MAGIC 和 Swift 的公开数据，于 8 月发表了他们自己对 GRB 190114c 余辉的分析，也指出逆康普顿散射是其高能辐射的来源。
皮兰说：“我不得不说，我有点失望地看到[MAGIC 团队]没有提及我们早期对他们非常初步的数据的分析也得出了相同的结论。“他们非常清楚我们的研究结果，但他们只在他们论文的方法部分提到了我们的论文。我们的工作和 MAGIC 结果在关于模型的结论方面没有显着差异。”
米尔佐扬指出，正是因为德里舍夫和皮兰的论文是基于 MAGIC 最初发布的稀缺信息，而不是基于完整的数据集，所以他们“要么做出一些具有不可忽略的边际的估计，要么进行一些主要合理的推测。”他说，这些估计和推测导致了两个竞争研究之间“真正有意义的差异”，例如在 GRB 磁场建模方面。“他们只需要‘猜测’，而我们有数据来帮助我们避免可能性膨胀，”他总结道。
撇开这些争议，内华达大学天体物理学家张冰是 GRB 余辉理论的另一位重要贡献者，也是 MAGIC 和 HESS 结果的 一篇随附评论的作者，他说这一发现预示着该领域的光明未来。新一代设施——特别是国际切伦科夫望远镜阵列以及中国的拉索高海拔宇宙线观测站——已经或即将开始收集更多关于新 GRB 的数据。
张冰说：“实验学家和观测者经过专注的工作，最终探测到了理论上预期了二十年的东西。“探测并不令人意外，但未来的观测可能会揭示更多特征，特别是对于附近的明亮事件。”（“附近”在这里是相对而言的：MAGIC 破纪录的 GRB 距离近 55 亿光年，而 HESS 的 GRB 距离约为 70 亿光年——就 GRB 而言，就像在后院篱笆外。）张冰说，既然地面切伦科夫望远镜已经表明它们可以探测到 GRB，它们最终可能会与中微子探测器和引力波天文台一起研究新的事件，以前所未有的细节揭示宇宙中最令人敬畏的爆炸。