什么是伽馬射線暴？
時間：2025-12-08 02:23:32 來源：桑間濮上網 作者：知識 閱讀：620次
一幅伽瑪射線爆發的插圖，它是馬射從一顆正在坍縮的大質量恒星周圍的致密環境中爆發出來的(圖片來源:uux.cn/美國國家航空航天局、歐洲航天局和M. Kornmesser)
（神秘的線暴地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：伽馬射線爆發是已知宇宙中最強大和最猛烈的爆炸。這些短暫的什伽高能閃光來自宇宙中一些最具爆炸性的事件，包括黑洞的馬射誕生和中子星之間的碰撞。
根據美國國家航空航天局的線暴說法，持續幾毫秒到幾分鐘的什伽伽瑪射線暴可以比一般的超新星亮幾百倍，使它們像一百萬萬億個太陽一樣明亮。馬射因此，線暴當GRB爆發時，什伽它會短暫地成為可觀測宇宙中最亮的馬射電磁輻射源。
第一次觀測到GRB是線暴在1967年7月2日，這要歸功于Vela 4A衛星，什伽它是馬射一系列X射線、伽馬射線和中子探測航天器的線暴一部分，旨在監測蘇聯或其他國家的任何核試驗。GRB在1969年被記錄在案，并在1973年發現解密后發表在一篇論文中。1971年至1973年間，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家們檢查了由Vela衛星探測到的幾個伽瑪射線暴，并確定伽瑪射線暴確實是“宇宙起源的”。
從那時起，科學家們就對這些巨大的宇宙爆炸及其來源著迷。
卡耐基梅隆大學麥克威廉姆斯宇宙學中心的博士后布倫丹·奧康納告訴Space.com:“伽馬射線暴是宇宙實驗室，它讓我們能夠研究在地球上無法復制的物質和物理狀態。”。
奧康納專門研究大規模宇宙爆炸，他解釋說，與伽馬射線暴相關的伽馬射線輻射是由以接近光速移動的準直物質射流產生的——所謂的相對論速度——這使得科學家可以研究相對論粒子的發射機制。
他補充說:“伽馬射線爆發在宿主星系及其周圍環境中的位置告訴我們祖先系統的形成和演化，提供了對宇宙時代恒星演化和恒星形成的深入了解。”
伽馬射線暴常見問題什么導致了伽馬射線爆發？
伽馬射線爆發的原因取決于它持續的時間。持續時間不到兩秒的grb是由兩顆中子星合并或者一顆中子星和一個黑洞合并而成的。更長的伽瑪暴可以持續幾個小時，當大質量恒星坍縮并產生黑洞時觸發。在這兩種情況下，科學家都認為伽瑪射線暴是由加速到大約99.9%光速的粒子噴流造成的。
伽馬射線爆發的威力有多大？
Radboud大學教授Andrew Levan表示，在短短幾秒鐘內，伽馬射線爆發可以釋放出相當于太陽在其整個90億年生命中所釋放的能量。
銀河系中會發生伽馬射線暴嗎？
grb似乎與處于激烈恒星形成過程中的星系關系最為密切，這一時期我們的星系似乎在20億至30億年前已經成熟。然而，銀河系充滿了標志著大質量恒星死亡的超新星遺跡，表明我們的星系曾經是伽瑪暴的家園。
伽馬射線暴會像炸彈一樣引爆嗎？
科學家曾經認為，宿主星系中的GRB“爆炸”會殺死該星系中的所有生命。這種想法現在已經被大多數人摒棄了，因為伽馬射線暴不像炸彈那樣引爆，而是像燈塔一樣將能量引導到兩個狹窄的光束中。然而，這并不意味著它們是完全安全的。歐洲航天局(ESA)表示，在這種光束200光年范圍內捕捉到的任何東西都有可能被蒸發。
不同類型的伽馬射線爆發
哈勃太空望遠鏡的寬視場相機3揭示了GRB船和它的宿主星系的紅外余輝(圓圈),看起來像一條延伸到爆發右上角的狹長光線。這張合成照片包含了2022年11月8日和12月4日拍攝的圖像，時間是火山爆發后的一個月和兩個月。(圖片鳴謝:uux.cn/NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan (Radboud大學)；圖像處理:Gladys Kober)
1991年4月，美國航天局在康普頓伽馬射線天文臺上啟動了爆發和瞬態源實驗，這是一個全天探測器，任務是探測、定位和研究伽馬射線暴。一年之內，BATSE每天探測到大約一個GRB，該航天器繼續進行有史以來第一次伽馬射線全天調查。根據Swinburne天體物理學和超級計算中心的說法，這揭示了GRB源在宇宙中幾乎是均勻分布的。然而，它們通常與昏暗遙遠的星系聯系在一起。
BATSE提供的大量GRB數據還顯示，這些強大的高能光子爆發有兩種相當遙遠的類型:持續時間不到兩秒的短持續時間伽瑪暴和持續時間從兩秒到幾百秒甚至幾個小時的長持續時間伽瑪暴。
研究人員認為不同持續時間的伽馬射線來自不同的來源，但這兩種不同的GRB發射機制都可能導致黑洞的產生或現有黑洞的增長。
“伽瑪射線暴主要追蹤大質量恒星的爆炸死亡，產生持續超過兩秒鐘的初始伽瑪射線輻射，”奧康納說。“然而，事件的一個較小子集是由兩個致密物體，通常是兩顆中子星的災難性碰撞產生的。這些事件被稱為短時伽馬射線爆發，持續時間不到2秒。”
長持續時間伽馬射線爆發
到目前為止，持續時間長的伽馬射線事件約占這類伽馬射線事件的70%,與大質量恒星核心的坍塌有關，起始質量是太陽的5到10倍。當大質量恒星耗盡核聚變的燃料，無法再抵抗自身向內的引力影響時，就會發生坍縮。隨著這顆垂死恒星的核心坍塌，外層被巨大的超新星爆發出來。根據美國宇航局的說法，這意味著當天文學家發現一個長時間的GRB時，他們也預計幾周后會看到一顆明亮的超新星。
當新生的黑洞開始以曾經是恒星外層的周圍物質為食時，垂死恒星的GRB就產生了。強大的磁場將帶電物質引導到新黑洞的兩極，在那里，它以接近光速的兩個極噴流噴出。這些噴流在穿過周圍的恒星物質時會發出X射線和伽馬射線，這些初始的高能發射之后會產生穿過電磁波譜的余輝。
伽瑪暴和大質量塌縮恒星之間的聯系在2003年3月得到了證實，當時被命名為GRB 030329的GRB追蹤到一顆質量為太陽25倍的恒星塌縮時產生的光學余輝，以及能量最高的超新星類型:超新星。
這些持續時間更長的伽馬射線暴似乎也與宇宙中正在經歷恒星密集形成期的區域有關。
“幾十年來，伽馬射線爆發的起源一直是個謎，”奧康納說。“這在很大程度上是由于它們以前在天空中的定位不佳，這排除了在其他波長上的觀測。在更長的伽瑪暴和它們的余輝最終被精確定位后，許多以前的謎團迅速消失了。對它們的宿主星系、距離和相關超新星的識別清楚地表明了它們的大質量恒星起源。”
短時伽馬射線爆發
持續時間不到兩秒鐘的短時伽瑪暴之謎對科學家來說有點難以解開。這是因為這些快速事件太快了，科學家們無法詳細研究。這種情況在2004年開始改變，美國國家航空航天局的尼爾·格里爾斯·斯威夫特天文臺發射升空，該天文臺強大到足以發現這些短期爆發的余輝。
2005年，天文學家確定，短期伽馬射線暴與兩顆中子星的碰撞和合并有關，這是當大質量恒星不夠重而無法產生黑洞時留下的致密恒星尸體，或者是黑洞和中子星之間的合并和碰撞。
短時伽瑪暴的合并模型表明，雙星系統中的中子星螺旋在一起，這是因為角動量通過引力波被帶走，引力波是時空中的微小波紋，由阿爾伯特·愛因斯坦在1915年首次預測。它們靠得越近，引力波的頻率就越高，因此從雙星系統中消耗角動量的速度就越快。
最終，中子星碰撞并合并產生了一顆超大質量中子星，它迅速坍縮產生了一個黑洞。這引發了引力波的最終爆發，稱為基洛諾瓦的電磁輻射爆發，以及通過中子星物質的相對論性外流產生的GRB。當黑洞與中子星碰撞時，中子星物質也會發生同樣的噴射。這就是為什么兩顆中子星的合并或一顆中子星與一個黑洞的合并會觸發GRB，但兩個黑洞的合并不會觸發——在后一種事件中，沒有中子星物質被噴射出來。
這種對短伽瑪暴的研究得到了引力波探測器的發展的支持，如激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)，它可以從這些合并事件中拾取時空波紋，因此研究人員可以搜索與短伽瑪暴相關的合并。
2017年，LIGO和它的引力波探測器處女座接收到了一個引力波信號，據信這是殼橢圓星系NGC 4993中發生的中子星合并的結果。在探測到這一被命名為GW170817的信號后，發現了一個不到2秒的伽馬射線爆發，來自同一近似空間區域。它被命名為GRB170817A，被認為是這次合并產生的相對論噴流的結果。
“由于引力波和對雙星中子星合并GW170817的檢測，我們在長持續時間伽瑪暴中看到的類似革命現在已經在短持續時間伽瑪暴中開始了”——這是第一次在電磁輻射中看到并通過引力波“聽到”的中子星合并——“這推動了我們對這些短持續時間爆發的理解，”奧康納說。
然而，在2022年末，由西北大學研究員Jillian Rastinejad領導的一個天文學家小組發現了一些令人驚訝的事情:一個與中子星合并有關的50秒長的GRB。
Rastinejad在發現時的一份聲明中說:“這一事件看起來不同于我們以前從長伽馬射線爆發中看到的任何事情。”“它的伽馬射線類似于大質量恒星坍塌產生的爆炸。鑒于我們觀察到的所有其他確認的中子星合并都伴隨著持續不到兩秒鐘的爆發，我們有充分的理由預計這50秒的GRB是由一顆大質量恒星的坍縮產生的。這一事件代表了伽馬射線爆發天文學的一個令人興奮的范式轉變。”
迄今為止最明亮的伽馬射線爆發
在爆發一小時后，斯威夫特X射線望遠鏡觀測到了有史以來最亮的伽馬射線爆發。(圖片鳴謝:uux.cn/NASA/Swift/A. Beardmore(萊斯特大學))
迄今為止觀測到的最引人注目的伽瑪射線暴之一被稱為“有史以來最亮的”，或船，GRB。2022年10月9日，西北大學物理和天文學系助理教授方文輝和她的團隊發現了它，包括奧康納在內的另一個團隊也觀察到了它。
奧康納說，官方命名為GRB 221009A的這次爆炸不僅是有史以來能量最大的一次，而且距離地球如此之近，其亮度似乎是有史以來觀測到的第二亮事件的70倍左右。在發現的時候，他告訴Space.com的姐妹網站Live Science，這艘船可能是由一顆質量相當于30個太陽的恒星爆炸發射的。事實上，這次爆炸可能是自大爆炸以來宇宙中最大的爆炸。
在GRB 221009之前，有史以來見過的最強大的GRB是GRB 190114C，它是由拉德布德大學天體物理學教授安德魯·萊萬及其團隊在2019年使用美國宇航局的尼爾·蓋爾斯·斯威夫特天文臺和費米伽馬射線太空望遠鏡發現的。
“雖然我們可能會認為GRB 221009A很近，比典型的爆發近20倍，但它仍然距離地球24億光年，”奧康納指出。“即使在這個距離，輻射也是如此強烈，以至于它短暫地分散了地球的電離層，影響了無線電波通信。這表明了伽馬射線爆發現象到底有多么具有爆炸性，以及我們是多么幸運，它們不太可能在我們自己的星系中發生。”
如果地球被伽馬射線爆發擊中，會發生什么？
伽馬射線爆發發生在中子星碰撞或巨星爆炸成黑洞時，釋放出超高能光子射流，看起來像手電筒的窄光束。(圖片鳴謝:uux.cn/歐洲南方天文臺)
如果我們的星球被GRB擊中，這對地球上的生命意味著什么？
“從技術上講，地球一直都在被伽瑪射線暴撞擊；這就是我們如何發現它們的，”西北大學天文學博士生Genevieve Schroeder告訴Space.com。“我們的臭氧層在保護我們免受最具破壞性的光子傷害方面做得非常好，這就是為什么我們的伽馬射線望遠鏡都是大氣層外的衛星。”
施羅德解釋說，我們探測到的所有伽馬射線都來自銀河系以外的星系，因此在這些情況下，伽馬射線到達我們這里時并不強大，因此不會構成太大的威脅。但是如果GRB發生在離我們很近的地方并直接撞擊地球，對我們星球的臭氧層來說可能是災難性的，她補充道。
施羅德說:“我們所知道的生命如果沒有被完全毀滅，也會發生巨大的變化。”。
事實上，地球上的生命可能已經感受到了GRB的憤怒。2004年，堪薩斯大學的Brian Thomas和他的同事提出，地球上第二大物種滅絕可能是GRB撞擊地球的結果。
大約發生在4.4億年前，奧陶紀末期的滅絕導致三分之二的物種滅絕，這是臭氧消耗和冰河時代開始的結果，冰河時代可能是由地球宇宙后院的GRB引發的。然而，我們的星球不太可能很快就能看到GRB的鏡頭。
“謝天謝地，地球最近的恒星鄰居并不真的是產生伽馬射線暴的類型，事件的頻率足夠罕見，所以我們應該是安全的，”施羅德說。
伽馬射線專家問答
吉納維芙·施羅德天文學博士生
吉納維芙·施羅德是西北大學天文學博士生。施羅德致力于伽馬射線爆發的寬帶觀測，她專門研究這些事件的無線電跟蹤。
我們向西北大學天文學博士生、天體物理學跨學科探索與研究中心(CIERA)成員吉納維芙·施羅德(Genevieve Schroeder)詢問了一些重要的伽馬射線爆發問題。
什么是伽馬射線暴？
顧名思義，伽馬射線爆發是我們探測到的伽馬射線爆發。如此高能量的爆發意味著伽瑪射線暴是整個宇宙中最具能量的爆發之一。
伽馬射線爆發有不同的類型嗎？
是的，根據我們探測伽馬射線的時間長短，有兩類伽馬射線。短伽馬射線輻射通常短于兩秒鐘，它們來自兩顆中子星的碰撞。長伽馬射線輻射通常超過兩秒鐘，它們來自一顆正在死亡的大質量恒星。我們知道這些事件導致了伽瑪暴的產生，因為我們已經看到了這些事件的其他特征。
例如，我們已經看到幾個長伽瑪暴也有一個重合的超新星，證實它們來自一個單一的大質量恒星死亡。我們也有一個短GRB，170817A，LIGO探測到來自兩個中子星在同一時間和位置合并的引力波。此外，中子星合并會產生重的、富含中子的噴出物，這些噴出物會放射性衰變，產生一個千新星，可以在紅外波段探測到。我們有幾個短的伽瑪暴聲稱探測到了基洛諾瓦。
我們知道，為了產生GRB，你需要一個非常緊湊的源——要么是一個黑洞，要么可能是一個快速旋轉的中子星。通過對星系的研究，我們還知道，大多數長伽瑪暴發生在恒星形成的星系中，它們的質量比銀河系小，金屬含量也低，而短伽瑪暴的宿主星系要多樣化得多。
你的工作與伽馬射線爆發有什么關系？
當GRB發生時，它會產生伽馬射線和其他物質。當這種材料與周圍所有其他塵埃和粒子相互作用時，它會激發這種材料，然后產生從X射線到無線電波段的發射，稱為“余輝”。我專門觀察射電波段的伽瑪暴，我的工作之一就是觀察并嘗試探測射電余輝。我們可以通過模擬X射線到射電余輝來更好地理解GRB的能量和環境。我以這種方式寫過兩篇論文:一篇是我模擬了幾個帶有射電余暉的長而模糊的伽瑪暴，另一篇是我模擬了一個帶有射電余暉的短GRB，它有著意想不到的重新變亮。
我研究的另一個方面是在短伽瑪暴被探測到幾年后，用射電望遠鏡追蹤它們。如果兩顆中子星相撞，它們有可能不會形成黑洞，而是形成另一顆更大質量的中子星，具有強大的磁場——磁星。這顆磁星將快速旋轉，并可能激發其周圍的基洛諾瓦物質，導致這些物質在GRB被探測到幾年后產生無線電信號。我一直在尋找這個射電信號，雖然我還沒有探測到它，但我確實寫了一篇論文，跟蹤了附近的九個短伽瑪暴。
是什么讓伽馬射線暴變得神秘？
伽瑪暴在很多方面都很神秘。一個懸而未決的問題是，GRB是由黑洞中心引擎產生的，還是中子星也能產生一個。人們正在做大量的工作來模擬伽馬射線暴，試圖理解它們最初是如何產生的。另一個懸而未決的問題與彌合長期和短期差距的伽馬射線暴有關。也就是說，你可能有一個“長”GRB，但所有跡象都指向中子星合并，或者你有一個“短”GRB，有一顆超新星與之相關，所以它顯然來自一顆垂死的恒星。我們仍在試圖了解有多少這樣的冒名頂替者。
最近有哪些令人興奮的伽馬射線爆發進展？
在過去的幾年里，已經探測到了幾次非常奇怪的伽馬射線暴。GRB 211211A是2022年12月探測到的長GRB。即使它在技術上被歸類為“長”，進一步的觀察揭示了一個基洛諾瓦，這意味著這個GRB實際上來自中子星合并。
GRB 221009A，也被稱為船——我的導師方文輝(Wen-fai Fong)創造的“有史以來最亮的”——顧名思義，是我們探測到的最亮的GRB。許多論文試圖理解是什么導致了這次爆發如此明亮。然后我們有一個類似于GRB 211211A和221009A的爆發:GRB 230307A。GRB 230307A非常明亮(但沒有船亮)，盡管也有潛在的基洛諾瓦探測，但也有很長的持續時間。總的來說，我們發現了越來越多挑戰傳統分類模式的事件，并促使我們通過這個新的“鏡頭”重新審視歷史事件。
伽馬射線爆發科學的地平線上有什么讓你興奮的東西？
我們對當前和未來的引力波觀測充滿希望，我們將探測到更多與中子星合并同時發生的短grb。在接下來的十年中，還有許多新的GRB衛星正在計劃和發射，這將有助于我們更好地探測和理解這些事件。在無線電跟蹤方面，我對下一代射電望遠鏡感到興奮，這將使我們能夠更好地探測這些事件。
(責任編輯：娛樂)
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