什么是伽玛射线暴

2019 年 3 月 1 日 中国物理学会期刊网

伽玛射线暴(GammaRay Burst, GRB)，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，简称伽玛暴，持续时间在0.1-1000秒，辐射主要集中在0.1-100MeV的能段。GRB是宇宙中发生的最剧烈的爆炸，理论上是巨大恒星在燃料耗尽时塌缩爆炸或者两颗邻近的致密星体(黑洞或中子星)合并而产生的。

伽玛暴小知识

GRB以2秒为界，大致可以分为长暴和短暴。时变的轮廓比较复杂，往往具有多峰的结构。

长暴被认为是大质量恒星死亡的标志，同时也标志着黑洞或者中子星的诞生。在2003年3月29日出现的长暴退去之后显现出的超新星SN2003dh证实了这一观点。大约2/3的伽玛暴的平均持续时间为35秒。可观测到的长暴大约每个星系每1千万年发生1次，加上那些没有对准我们的伽玛暴，伽玛暴的发生概率大约是每个星系每1万年发生1次。如果超新星的发生概率是每个星系每100年发生一次的话，那么大致上每100个超新星中就会有一个是长暴。长暴可能会导致黑洞（无限坍缩星）、强磁场中子星（磁星）或者大质量中子星的形成。

目前对短暴的认识还非常有限。短暴的成因可能是由致密双星的合并——两个中子星的合并，或者是一个中子星和一个低质量黑洞的合并——而引起的。与长暴相比，短暴有着更多的高能光子，其峰值能量也比较高，因此只有中子星或黑洞这种宇宙中最致密的星体剧烈碰撞才能导致此结果。

GRB爆发过后会在其它波段观测到辐射，称为GRB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。

伽玛暴的危害

一般来说，距离地球10000光年内的伽玛射线暴都有可能灭绝地球生命。如果把“伽玛射线暴”与我们常见太阳释放的能量相比较，你就能知道它粗狂的程度，它在几分钟内释放的能量，就相当于太阳万亿年释放光能的总和，其放射单个光子能量，是普通太阳光的几十万倍。如果地球被伽玛射线暴近距离击中，首先你会看到整个天空都闪耀着诡异的绿光，这是伽玛射线在破坏臭氧的标志。破坏了臭氧，所有的地球的生命都将暴露在太阳风以及各种宇宙射线下。4.5亿年前的奥陶纪生物大灭绝就被认为是伽玛射线暴的“杰作”。

典型事件

GRB970228是天文学家第一个观测到余辉的伽玛射线暴。这次爆发持续了大约80秒，其光变曲线有多个极大值。它的光变曲线特性表明可能同时发生了一次超新星爆发。本次爆发的位置与一个81亿光年外的星系相符。

GRB970228

GRB970508是被安装在X射线天文学卫星BeppoSAX上的伽马射线暴监视系统探测到的。天文学家马克·梅茨格（Mark Metzger）断定，GRB 970508的爆发点距离地球有60亿光年，这是人们第一次量度伽马射线暴的距离。

GRB 970508

1999年1月23日发生的伽玛射线暴比这次更加猛烈，它所放出的能量是1997年那次的十倍，这也是人类迄今为止已知的最强大的伽玛射线暴。

GRB 990123

2004年12月27日，来自银河系的另一端的具有超强磁场的中子星-磁星爆发了伽玛射线暴。发生爆发的磁星编号为SGR 1806-20，它也被称为“软伽玛射线复现源”，通常这类天体辐射集中在低能伽玛射线波段，但当其磁场发生重置时，便会发生强烈能量爆发。它距离地球达5万光年，但它巨大的威力使人们在地球上甚至用肉眼都能看见。

SGR 1806-20

在2009年4月23日，天文学家曾观测到迄今最遥远的伽玛射线暴，它距离地球131亿光年，也是人类观测到的最遥远天体，导致该伽玛射线暴发生的强烈爆炸发生在宇宙起源后不到7亿年时。

GRB 090423

由费米伽玛射线空间望远镜和雨燕卫星在2013年4月27日探测到的迄今最强的伽玛射线暴（未归算红移）。这次伽玛射线暴位于狮子座方向，其中单个光子的最高能量至少为940亿电子伏（94 TeV），距离地球约36亿光年，是已知最近的五个伽玛射线暴之一，同时也是持续时间相对较长的一次伽玛射线暴。

GRB 130427，图片来源：网络

探测设备

1991年，NASA发射了一颗名叫“康普顿伽玛射线天文台”的卫星，配备了第一台伽玛射线暴探测设备，名叫BATSE，探测持续时间比较短的伽玛射线暴；高能伽玛射线试验望远镜，名为EGRET，探测高能伽玛射线。康普顿共计探测到2700余个伽玛射线暴。

康普顿伽玛射线天文台卫星

1996年，意大利和荷兰共同发射了BeppoSax卫星，该设备包括宽视场照相机以及窄视场设备，前者对2~30keV的能段敏感，进行伽玛射线暴的早期定位，后者兼作伽玛射线暴触发设备。1997年，BeppoSax卫星检测到了一次威力巨大的伽玛射线暴。

BeppoSax卫星

2000年10月9日HETE-2是由Pegasus-H发射，在建造过程中把紫外照相机换成了X射线照相机以及光学CCD，后者主要充任导星仪器，为避免太阳的干扰，并且充分利用太阳能对其充电，其2立体角视场中心始终指向太阳对侧。其最大亮点是确认了超新星与伽玛暴长暴的成协性。

HETE-2

2004年，NASA发射了Swift卫星，质量1470kg，轨道高度600km。搭载有：爆发警示望远镜（BAT），使用编码板成像，面积5200平方厘米，工作能段15~152keV；X射线望远镜（XRT），对伽玛射线暴的余晖进行成像，精确测定伽玛射线暴位置，五彩大约为3.5角秒，工作能段0.2~10keV；紫外/光学望远镜（UVOT），工作波段170~650nm，能够对伽玛射线暴在光学波段的余晖进行成像，也可以测定其亮度和光谱、以及长时间光变曲线。2015年5月，成功探测到GRB050509B短暴的余晖，成为当年十大科技进展之中子星相关的主角。

Swift卫星

Swift卫星既探测到了伽玛射线暴，也抓拍到了恒星爆炸的情景

由NASA、美国能源部、德国、法国、意大利、日本、瑞典联合设计发射的费米伽玛射线太空望远镜（GLAST）是在低轨道的伽玛射线天文学空间望远镜，该望远镜质量750kg，轨道高550km，运行周期95分钟，于2008年6月11日由delta II 7920-H型火箭发射升空。主要搭载有：伽玛射线暴监视系统（GBM），侦测有伽玛射线暴和太阳耀斑突然发出的伽玛射线闪光；大面积望远镜，视野达到约20%的天空，视野为3度时可侦测100MeV。

GLAST卫星

2016年9月15日发射的天宫二号搭载的伽玛射线暴偏振探测仪（简称天极望远镜），该仪器由中科院高能物理所、瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所以及波兰国家核研究中心等联合研制，是世界上首台大面积、大视场、高精度的伽玛射线暴偏振探测仪。运行期间共计探测到55个伽玛暴，对其中5个伽玛暴进行了高精度偏振测量，这是目前国际上最大的高精度伽玛暴偏振测量样本，发现伽玛暴爆发期间的平均偏振度较低，约为10%，并且发现伽玛暴在单个脉冲内偏振角的演化现象。