1999年1月23日清晨，新墨西哥州的一架机器人望远镜在北冕座中捕捉到了一道微弱的光芒。虽然用双筒望远镜勉强可见，但它却是人类有史以来见证的最耀眼的爆炸。我们可以看到它距离我们90亿光年，超过了可观测宇宙的一半距离。如果这个事件发生在几千光年之外，它将像中午的太阳一样明亮，并向地球辐射足够的能量杀死几乎所有的生物。
这道闪光是又一次著名的伽马射线暴，近几十年来，伽马射线暴一直是天文学中最引人入胜的谜团之一。首次观测到伽马射线暴（GRB）是在1967年7月2日，来自监测太空核试验的军事卫星。这些宇宙爆炸被证明与卫星旨在探测的人造爆炸截然不同。在接下来的30年里，每一次新的爆发都只会加剧困惑。每当研究人员认为他们找到了解释时，证据都会让他们回到原点。
过去十年中的重大发现使天文学家更接近最终答案。在1997年之前，我们对伽马射线暴的大部分了解都基于康普顿伽马射线天文台上的爆发和瞬变源实验（BATSE）的观测。BATSE显示，在可观测宇宙的某个地方，通常每天会发生两到三次伽马射线暴。它们在伽马射线天空中比其他任何事物都更耀眼。虽然每一次爆发都是独一无二的，但这些爆发可以大致分为两类。持续时间少于两秒的爆发是短爆发，而持续时间更长的爆发（大多数）是长爆发。这两个类别在光谱上有所不同，短爆发的相对高能伽马射线比长爆发更多。1999年1月的爆发发射伽马射线持续了一分半钟。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们屡获殊荣的新闻报道以支持我们 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够获得有关塑造当今世界的发现和想法的有影响力的故事。
BATSE最重要的结果可以说是关于爆发的分布。它们的分布是各向同性的，也就是说，它们均匀地分布在整个天空。这一发现对普遍的观点提出了质疑，这种观点认为爆发来自银河系内的源头；如果它们确实来自银河系内，我们星系的形状或地球在其内的偏心位置应该会导致它们在天空的某些区域聚集。均匀分布使大多数天文学家得出结论，认为这些仪器正在探测整个宇宙中发生的某种事件。不幸的是，单靠伽马射线无法提供足够的信息来确定问题。研究人员需要探测爆发在其他波长的辐射。例如，可见光可以揭示爆发发生的星系，从而可以测量它们的距离。尝试探测这些爆发的对应物，但结果都徒劳无功。
进展的爆发
1996年，随着意大利航天局与荷兰航天局共同建造和运营的X射线航天器BeppoSAX的出现，这一领域取得了飞跃。BeppoSAX是第一颗精确定位伽马射线暴并发现其X射线余辉的卫星。余辉在伽马射线信号消失时出现。它持续数天至数月，随着时间的推移而减弱，并从X射线降解为强度较弱的辐射，包括可见光和无线电波。虽然BeppoSAX仅探测到长爆发的余辉，但直到8年后才发现短爆发的对应物，它最终使后续观测成为可能。鉴于BeppoSAX提供的位置信息，光学和射电望远镜能够识别伽马射线暴发生的星系。几乎所有星系都位于数十亿光年之外，这意味着爆发一定非常强大。极端能量反过来需要极端的原因，研究人员开始将伽马射线暴与他们所知的最极端的物体联系起来：黑洞。
BeppoSAX精确定位的最早的伽马射线暴之一是GRB970508，之所以这样命名是因为它发生在1997年5月8日。对其余辉的无线电观测提供了至关重要的线索。在前三周内，光芒不规则地变化了大约两倍，之后趋于稳定，然后开始减弱。大的变化可能与爆发源本身无关；而是与余辉光在太空中的传播有关。正如地球的大气层导致可见的星光闪烁一样，星际等离子体会导致无线电波闪烁。为了使这个过程可见，源必须非常小且遥远，以至于在我们看来它仅仅是一个点。行星不会闪烁，因为它们距离较近，看起来像圆盘，而不是点。
因此，如果GRB970508在无线电波长处闪烁然后停止，则其源必须从一个点增长到一个可识别的圆盘。在这种情况下，可识别意味着跨度为几个光周。为了达到那个尺寸，源必须以相当快的速度（接近光速）膨胀。
BeppoSAX和后续观测改变了天文学家对伽马射线暴的看法。突然释放能量集中在短暂几秒钟内的旧概念已被抛弃。实际上，甚至“余辉”这个术语现在也被认为是具有误导性的：两个阶段释放的能量是相当的。余辉的光谱是电子在磁场中以接近光速的速度运动的特征。
GRB990123（1999年1月的爆发）对于证明爆发的巨大威力起到了重要作用。如果爆发在所有方向上均匀地辐射其能量，那么它的光度必须是几乘以1045瓦特，是太阳亮度的1019倍。相比之下，超新星爆发的光子发射分布在数周内，其光度仅为伽马射线暴的一小部分。即使是著名的明亮类星体，也仅释放约1040瓦特。
然而，如果爆发将其能量定向发射而不是在所有方向上发射，则光度估计值会较低。来自GRB990123（以及其他爆发）余辉随着时间推移而变暗的方式证明了定向发射的存在。爆发两天后，变暗的速度突然增加，如果观察到的辐射来自以接近光速移动的狭窄物质喷流，这种情况自然会发生。由于相对论效应，随着喷流减速，观察者会看到越来越多的喷流。在某个时候，不再有东西可见，并且明显的亮度开始更快地下降[见下一页的框]。
对于GRB990123和其他几次爆发，推断出的喷流张角为几度。只有当喷流沿着我们的视线对准时，我们才能看到爆发。这种定向发射效应将爆发发出的总能量减少了大约与喷流角度平方成正比的程度。例如，如果喷流跨度为10度，则它覆盖了天空的大约五百分之一，因此能量需求下降了500倍；此外，对于每个被观测到的伽马射线暴，另有499个伽马射线暴是看不到的。然而，即使考虑到定向发射，GRB990123的光度仍然达到了惊人的1043瓦特。
伽马射线暴-超新星的联系
最有趣的发现之一是伽马射线暴和超新星之间的联系。当望远镜去观察GRB980425时，他们还发现了一颗超新星，名为SN1998bw，它在大约与爆发同时爆炸。巧合发生的概率是万分之一。一个更确凿的例子是GRB030329与SN2003dh的关联。这个伽马射线暴是由美国宇航局于2000年10月发射的第二颗高能瞬变探测器卫星（HETE-2）定位的。地面观测显示，在伽马射线暴发生10天后，一颗超新星的宽光谱特征与SN1998bw的特征基本相同。迄今为止最好的例子是GRB060218，它与SN2006aj紧密相关。这个伽马射线暴是由美国宇航局于2004年11月发射的雨燕卫星发现的。地面望远镜在超新星出现时，正在密切观察逐渐消失的余辉，超新星出现在伽马射线暴发生三天后。
在上述三个例子中，GRB030329最接近于正常的长伽马射线暴；GRB980425和GRB060218是不寻常的，因为它们光度较低，持续时间较长，并且主要是X射线事件。此外，这两个爆发发生在伽马射线暴标准中相对较近的星系中。这两个爆发具有较长的光谱滞后，这意味着高能和低能伽马射线脉冲到达时间间隔数秒。这些爆发最好被描述为X射线闪光，稍后将对此进行解释。
除了GRB030329之外，还有强有力的证据表明其他正常的长伽马射线暴与超新星有关。GRB970228是第一个发现光学余辉的BeppoSAX伽马射线暴。在爆发30天后，其光学光变曲线上出现了一个隆起，看起来很像超新星。
在几个爆发的X射线光谱中检测到金属（最引人注目的是铁），也暗示了伽马射线暴和超新星之间的联系。众所周知，铁原子是由超新星爆炸合成并倾倒到星际空间中的。如果这些原子被剥夺了电子，然后又与电子结合，它们就会在独特的波长下发出光，称为发射线。BeppoSAX和日本X射线卫星ASCA早期对这些发射线的探测已被更可靠的测量所证实。值得注意的是，美国宇航局的钱德拉X射线天文台在GRB991216中检测到铁线，从而直接测量了伽马射线暴的距离。该数字与估计的爆发宿主星系的距离一致。在GRB011211周围的气体壳中，欧洲航天局的X射线多镜卫星发现了来自硅、硫、氩和其他超新星通常释放的元素的发射线的证据。
天文学家普遍接受伽马射线暴（GRB）与超新星之间存在联系。由于伽马射线暴比超新星罕见得多——宇宙中每天都会发生几个伽马射线暴，而超新星则有成千上万个——并非每个超新星都与伽马射线暴相关联。也许超新星内部喷流很常见，在少数情况下，相对论性喷流会从超新星中逸出，而在这些情况中的少数情况下，其中一个喷流会指向我们，使我们能够观察到伽马射线暴。此外，如果喷流的指向稍微偏离我们，那么我们可能会观察到能量较低的事件，其中X射线多于伽马射线。
火球
即使撇开伽马射线暴的能量是如何产生的这个问题不谈，它们耀眼的光芒也构成了一个悖论。快速的亮度变化表明，辐射源自一个很小的区域：一个太阳大小的体积释放出1019个太阳的亮度。如此多的辐射从如此紧凑的空间发出，光子一定非常密集，它们应该相互作用并阻止彼此逃逸。这种情况就像一群人在恐慌中奔向出口，以至于没有人能出去。但是，如果伽马射线无法逃脱，我们又怎么能看到伽马射线暴呢？
这个难题的解决办法是在过去10年中发展起来的，那就是伽马射线不是立即发射的。相反，爆炸的初始能量储存在以接近光速移动的粒子壳（一个火球）的动能中。这些粒子包括电子及其反物质对应物正电子。这个火球膨胀到100亿到1000亿公里的直径，此时密度已经下降到足以让伽马射线不受阻碍地逃逸。然后，火球将其部分动能转换为电磁辐射，从而产生伽马射线暴。
最初的伽马射线辐射很可能是膨胀火球内部的冲击波造成的。当膨胀物质中速度较快的团块超过速度较慢的团块时，就会产生这些冲击波。由于火球以接近光速的速度膨胀，根据相对论原理，外部观察者在火球路径上看到的的时间尺度被大大压缩了。因此，火球路径上的观察者会看到一个只持续几秒钟的伽马射线暴，即使它的产生花费了一天的时间。火球继续膨胀，最终它会遇到并扫过周围的气体。另一个冲击波形成，这次是在火球和外部介质之间的边界，并随着火球减速而持续存在。这种外部冲击很好地解释了伽马射线暴的余辉辐射以及这种辐射从伽马射线到X射线再到可见光，最终到无线电波的逐渐衰减。
虽然火球可以将爆炸能量转化为观测到的辐射，但最初产生能量的是什么呢？这是一个单独的问题，天文学家尚未达成共识。一类模型，被称为超新星或坍缩星，涉及到质量大于我们太阳的20到30倍的恒星。模拟显示，这种恒星的中心核最终会坍缩形成一个快速旋转的黑洞，周围环绕着剩余物质的圆盘。
第二类模型调用双星系统，该系统由两个致密天体组成，例如一对中子星（即超高密度的恒星尸体）或一个中子星与一个黑洞配对。这种系统由于引力辐射的发射而损失轨道能量，因此两个天体螺旋地朝彼此靠近并合并为一个。就像在坍缩星情景中一样，结果是形成一个被圆盘包围的单个黑洞。
许多天体现象都涉及洞-盘组合。这种特定类型的系统与众不同之处在于圆盘的巨大质量（允许释放巨大的能量）以及缺乏补充圆盘的伴星（这意味着能量释放或多或少是一次性事件）。黑洞和圆盘有两个巨大的能量储备：圆盘的引力势能和黑洞的旋转能量。这些能量究竟如何转化为火球还不完全清楚。在圆盘形成过程中，可能会产生比地球磁场强1015倍的磁场。在这样做时，它会将圆盘加热到如此高的温度，以至于它释放出光子、中微子和等离子体的火球。火球被导入沿着旋转轴流出的两个狭窄喷流。
除了坍缩星和致密天体合并模型之外，还应该注意到，还有其他关于伽马射线暴中心引擎的模型。其中一个涉及从带电黑洞中提取能量。在这种情景中，早期和余辉伽马射线暴的辐射都是火球扫过外部介质的结果。
有很多证据支持坍缩星导致长伽马射线暴的假设。特别是，长伽马射线暴与超新星的关联是支持坍缩星的论点，毕竟，坍缩星本质上是大型超新星。此外，长伽马射线暴通常出现在坍缩星预期发生的地方——即星系中近期恒星形成的区域。一颗大质量恒星在诞生后不久（几百万年）就会爆炸，因此它的死亡地靠近它的出生地。
越来越多的证据表明，致密星合并导致了短时伽马射线暴。预计这种机制不会产生超新星，而且事实上，尚未发现短时伽马射线暴与超新星之间的关联。此外，一对致密星的轨道衰减是一个发生在数千万到数十亿年时间尺度上的过程。在前一种情况下，合并将发生在致密星对中恒星诞生的附近。在后一种情况下，该对将在其宿主星系周围漂移，因此最终合并不太可能与任何恒星形成区域相关联。在斯威夫特和HETE-2在2005年发现并定位了几个短时伽马射线暴的X射线余辉之后，发现了短时伽马射线暴与恒星形成的这种混合关联。
我们仍然不完全理解长时和短时伽马射线暴之间的差异。例如，最近爆发的GRB060614是一个明亮、被充分观测到的、附近的事件，它不能完全归入任何一个类别。
所有这些发现表明，该领域有可能回答天文学中的一些最基本的问题：恒星如何结束它们的生命？黑洞是如何以及在哪里形成的？来自坍缩天体的喷流的本质是什么？
过去的爆炸
一个悬而未决的问题涉及暗伽马射线暴或幽灵伽马射线暴。在大约200个已定位并以伽马射线以外的波长研究的伽马射线暴中，约有90%在X射线中被观测到。相比之下，只有约50%在可见光中被观测到。为什么有些伽马射线暴在可见光中不发光呢？
有几种效应可以使伽马射线暴变暗。一种解释是，这些伽马射线暴位于恒星形成的区域，这些区域往往充满尘埃。尘埃会阻挡可见光，但不会阻挡X射线。另一种有趣的可能是，一些幽灵是恰好非常遥远的伽马射线暴。这些伽马射线暴产生的相关波长的光会被星系际气体吸收。为了检验这个假设，通过X射线或红外光谱测量距离将至关重要。第三种可能是，幽灵本质上是光学上微弱的。
高灵敏度的光学和无线电调查已经确定了一些暗伽马射线暴的可能宿主星系。它们中的大多数都处于中等距离，这对于这些事件来说，支持了尘埃的解释。但是，其中一个由斯威夫特确定的，处于黑暗宇宙区域的高红移处。
另一个谜团涉及一类被称为富含X射线的伽马射线暴的事件，或者简称为X射线闪光。这些爆发由BeppoSAX发现，后来由HETE-2观测和对BATSE数据的重新分析证实，目前由斯威夫特观测，占伽马射线暴的20%至30%。它们发出的X射线辐射多于伽马射线辐射；实际上，极端情况下根本没有可检测到的伽马射线辐射。
对于X射线闪光，有三种可能的解释。一种是，火球中加载了相对大量的重子物质，例如质子，从而形成了一个“脏火球”。这些粒子增加了火球的惯性，使其移动得更慢，更难以将光子提升到伽马射线范围。或者，X射线闪光可能是典型的伽马射线暴，其喷流只是指向我们视线之外，因此只有较少准直和能量较低的X射线到达我们。第三种可能性是，至少一个X射线闪光似乎与比正常长时伽马射线暴通常经历的超新星爆炸不那么极端的超新星爆炸相关。有人推测，在这种情况下，超新星中形成的是中子星，而不是黑洞。
伽马射线暴天文学的下一步是积累数百种各种类型的爆发的观测数据，以充实有关爆发、余辉和宿主星系特征的数据。这项工作正在由斯威夫特卫星牵头，这要归功于它的多波长能力以及其快速且自主地重新定向以更好地使用其高分辨率仪器观测爆发的能力。斯威夫特对短时爆发的敏感性是理解这个研究不足的类别的一个主要因素。
另一个目标是探测极端的伽马射线能量。例如，GRB940217在爆发后一个多小时内发射出高能伽马射线，这是康普顿伽马射线天文台上的高能伽马射线实验望远镜所观测到的。天文学家不了解如何产生如此广泛和高能的余辉。意大利航天局的AGILE卫星预计于2007年发射，将观测这些高能量的伽马射线暴。超灵敏伽马射线大面积空间望远镜任务也计划于2007年发射，这将是研究这种令人困惑的现象的关键。
其他任务，尽管并非专门为伽马射线暴的发现而设计，也将做出贡献。国际伽马射线天体物理实验室于2002年10月17日发射，每年正在探测10多个伽马射线暴。拟议中的高能X射线成像调查望远镜将配备一个灵敏的伽马射线仪器，能够探测到数千个伽马射线暴。扩散辐射和伽马射线暴爆炸探测器（EDGE）被提议将伽马射线暴观测为宇宙信标——以研究宇宙的早期阶段及其随时间的演化。
该领域经历了一系列的突破性年份，发现了伽马射线暴是发生在整个宇宙中的巨大爆炸。爆发为我们提供了一个激动人心的机会，去研究新的物理学领域，并了解宇宙在恒星形成的早期阶段是什么样子。未来几年基于太空和地面的观测应该能够使我们揭示这些最非凡的怪兽的详细性质。天文学家再也不能把爆发说成是完全的谜团，但这并不意味着谜题已经完全解开。
作者
尼尔·格雷尔斯、路易吉·皮罗 和 彼得·J. T. 伦纳德 将观测和理论相结合，对伽马射线暴进行研究。格雷尔斯和皮罗主要是观测者——他们分别是康普顿伽马射线天文台和 BeppoSAX 卫星的首席科学家。伦纳德是一位理论家，和大多数理论家一样，他过去认为伽马射线暴不太可能亮到足以在浩瀚的星系际空间中被观测到。“我不得不承认，伽马射线暴真的让我迷惑了，”他说。格雷尔斯是 NASA 戈达德太空飞行中心天体粒子物理实验室的主任，也是雨燕卫星的首席科学家。皮罗是罗马 INAF（国家天体物理研究所）空间天体物理和宇宙物理研究所的研究主任。伦纳德在 ADNET 系统工作，支持戈达德的任务。