伽马射线暴_天文学名词 - 线报百科mbji.cn

伽马射线暴

天文学名词

伽玛射线暴（Gamma Ray Burst，缩写GRB），又称伽玛暴，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，持续时间在0.1~1000秒，辐射主要集中在0.1~100MeV的能段。伽玛暴发现于1967年，数十年来，人们对其本质了解得还不很清楚，但基本可以确定是发生在宇宙学尺度上的恒星级天体中的爆发过程。伽玛暴是天文学中最活跃的研究领域之一，曾在1997年和1999年两度被美国《科学》杂志评为年度十大科技进展之列。

产生影响

物理学家通过计算发现强大的伽玛射线暴能够杀死一定范围的宇宙生命，更致命的是伽玛射线暴还有定期发生的规律，这对宇宙生命而言是个不利的消息，因为这一情况可以阻止宇宙生命进化成高级物种。最新的评估认为，伽玛射线暴可能清除了大约90%的星系空间，银河系内也受到伽玛射线暴的冲击，地球生命在未来可能也将面临类似的命运。伽玛射线暴来自恒星进入生命末年时的爆发，强大的辐射可破坏DNA，并导致行星失去大气层。

科学家还发现，伽玛射线暴在过去5亿年左右袭击过地球，导致大量的生命灭绝，这个解释或许能够说明为什么我们仍然没有找到其他宇宙生命，科学家根据巡天观测的结果也发现伽玛射线暴可能让许多星系毫无生机。地球在过去的岁月中也受到伽玛射线暴的“洗礼”，但地球生命却顽强生存下来，这一情况也会宇宙中其他天体上出现，这意味着其他天体上的生命可能具有更顽强的生命力。

在过去的5亿年左右，银河系内的伽玛射线暴事件让银河系大部分地区都无法生存，来自耶路撒冷希伯来大学的物理学家Tsvi Piran称我们发现致命的伽玛射线暴在银河系内出现得非常频繁，地球周围也可能出现伽玛射线暴，但是银河系中央附近的伽玛射线暴要更强大一些，位于银河系边缘地带出现伽玛射线暴的概率会低于50%。从距离上看，距离银河系中央大约3.2万光年之外宇宙生命生存下来的概率会更大一些。

从星系的分布特点可以看出，生命适合在大型星系的边缘生存，这里的空间环境是最安全的，因此偌大的星系其实只有边缘附近适合生存，此类空间占星系的10%左右。根据空间望远镜的观测结果，宇宙中伽玛射线暴几乎每天都在发生，而且方向是随机的，如果某个拥有生命的行星不幸处于伽玛射线暴的释放路径上，那么这颗天体上的生命将遭遇灭顶之灾，科学家认为这样的事件发生概率为一千万分之一。

研究历史

伽马射线暴是1967年美国Vela卫星在核爆炸监测过程中由克莱贝萨德尔（Klebesadel）等人无意中发现的。

20世纪60年代，美国发射了船帆座卫星，上面安装有监测伽玛射线的仪器，用于监视苏联和中国进行核试验时产生的大量伽玛射线。

1967年这颗卫星发现了来自宇宙空间的伽玛射线突然增强，随即又快速减弱的现象，这种现象是随机发生的，大约每天发生1~2次，强度可以超过全天伽玛射线的总和，并且来源不是在地球上，而是宇宙空间。由于保密的原因，关于伽玛射线暴的首批观测资料直到1973年才发表，并很快得到了苏联Konus卫星的证实。

冷战时期，美国发射了一系列的军事卫星来监测全球的核爆炸试验，在这些卫星上安装有伽马射线探测器，用于监视核爆炸所产生的大量的高能射线。侦察卫星在1967年，发现了来自浩瀚宇宙空间的伽马射线在短时间内突然增强的现象，人们称之为“伽马射线暴”。由于军事保密等因素，这个发现直到1973年才公布出来。这是一种让天文学家感到困惑的现象，一些伽马射线源会突然出现几秒钟，然后消失。这种爆发释放能量的功率非常高。一次伽马射线暴的“亮度”，相当于全天所有伽马射线源“亮度”的总和。随后，不断有高能天文卫星对伽马射线暴进行监视，差不多每天都能观测到一两次的伽马射线暴。

由于伽玛暴的持续时间非常短暂，而且方向不好确定，起初对伽玛暴的研究进展十分缓慢，连距离这样的基本物理量都难以测定，1980年，基于Ginga卫星的观测结果，许多人相信伽玛射线暴是发生银河系中的一种现象，成因与中子星有关，并围绕中子星建立起数百个模型。20世纪80年代中期，美籍波兰裔天文学家玻丹·帕琴斯基提出，伽玛射线暴发生在银河系外，是位于宇宙学距离上的遥远天体，然而这种观点并没有得到普遍认可。

1991年美国发射了康普顿伽玛射线天文台（CGRO），这颗卫星的八个角上安装了八台同样的仪器BASTE，能够定出伽玛射线暴的方向，精度大约为几度，几年时间里，对3000余个伽玛暴的系统巡天发现，伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的，支持了伽玛射线暴是发生在遥远的宇宙学尺度上的观点，并且引发了帕钦斯基与另一位持相反观点的科学家拉姆的大辩论。

如果伽玛射线暴确实位于宇宙学尺度上，那么由它的亮度可以推断，伽玛暴必定具有非常巨大的能量，往往在几秒时间里释放出的能量就相当于几百个太阳一生中所释放出的能量总和，是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发，例如1997年12月14日发生的一次伽玛暴，距地球120亿光年，在爆发后一两秒内，其亮度就与除它以外的整个宇宙一样明亮，它在50秒内释放出的能量相当于银河系200年的总辐射能量，比超新星爆发还要大几百倍。在它附近的几百千米范围内，再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。而1999年1月23日发生的一次伽玛暴比这还要猛烈十倍。

1996年，意大利和荷兰合作发射了BeppoSAX卫星，这颗卫星能够准确地测定伽玛射线暴的方位，定位精度约为50角秒，这就为地面上的望远镜在伽玛暴未消逝之前寻找其光学对应体提供了强有力的支持。在它的帮助下，天文学家们率先发现了1997年2月28日爆发的一个伽玛暴的光学对应体，称为伽玛暴的“光学余辉”，后来又陆陆续续地发现了数个类似的余辉，不仅有可见光波段的，也有射电波段，X射线波段，并且还证认出了伽玛暴的宿主星系，对宿主星系红移的观测证实，伽玛暴远在银河系以外，是宇宙学距离上的天体，余辉的发现使人们能够在伽玛暴发生后数月甚至数年的时间里对其进行持续观测，大大推动了伽玛暴的研究。

至2015年人们已经观测到了2000多个伽马暴。

2022年10月9日21点17分，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）、高能爆发探索者（HEBS）和慧眼卫星（Insight-HXMT）同时探测到迄今最亮的伽马射线暴，编号为GRB 221009A。

2024年6月22日15时00分，中国在西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功发射中法天文卫星。该卫星是中法两国联合论证研制的空间科学卫星，是迄今为止全球对伽马暴开展多波段综合观测能力最强的卫星，将对伽马暴研究等空间天文领域科学发现发挥重要作用。

中法天文卫星上搭载的伽马射线监测器于2024年6月24日开机后进行了在轨测试。6月27日监测器成功捕捉到了首个伽马射线暴，这是中法天文卫星的首个在轨科学探测成果。经过比对，该伽马射线暴的光变曲线与中国创新X首发星上观测到的结果相同，也和国外费米卫星的观测结果一致。

产生原因

恒星的诞生和老恒星的死亡是联系在一起的。超大质量恒星迅速老化、爆炸，散发出的星际尘埃快速充斥于星云之中，超大质量爆炸产生的新物质也被喷发进星云之中，星云密度变得很大，孕育新的恒星诞生。在充斥着星际尘埃的星系，大量的恒星生死轮回正在发生着。由于恒星形成于星际尘埃区域，可推测包裹黑暗伽马射线暴的尘埃团可能是孕育恒星的诞生之地。

关于伽玛射线暴的成因，有人猜测它是两个致密天体如中子星或黑洞的合并产生的，也有观点认为它是在大质量恒星演化为黑洞的过程中产生的。

1998年发现伽玛暴GRB 980425与一个超新星SN Ib/Ic 1998bw相关联。这是一个重要的发现，暗示伽玛暴的成因可能是大质量恒星的死亡。2002年，一个英国的研究小组研究了由XMM-牛顿卫星对2001年12月的一次伽玛暴的长达270秒的X射线余辉的观测资料，发现了伽玛暴与超新星有关的证据，发表在2002年的《自然》杂志上。进一步的研究揭示，普通的超新星爆发有可能在几周到几个月之内导致伽玛射线暴。大质量恒星的死亡会产生伽玛暴这一观点已经得到普遍认同。

现象分类

伽玛暴有两类，短暴（小于2秒）与长暴（大于2秒）。

长暴被普遍认为是“超新星的类似物”，标志着50至100倍于太阳的恒星的毁灭性爆发。当这样一颗庞大的恒星爆炸时，它会留下一个黑洞，并将这一信息以伽玛射线的形式扫过宇宙。内在的物理机制首先由加州大学的物理学家Stan Woosley博士提出并发展成形，而他的“坍缩星”模型被认为是解释长暴的主流理论。

短暴更为让人迷惑。它们的起落时间非常短，不会是超新星，而爆发的能量并不足以构成恒星的爆发。许多研究者认为，它们是由超致密的中子星（可能也是中子星与黑洞）碰撞产生的。两种情况都会产生另一个黑洞。

伽马射线暴的能源机制依然远未解决，这也是伽马射线暴研究的核心问题。随着技术的进步，人类对宇宙的认识也将更加深入，很多看来还是个谜的问题也许未来就会被解决，探索宇宙的奥秘不但是人类追求科学进步的必要，这些谜团的解开也终将会使人类自身受益。

主要特征

伽玛射线暴的持续时间一般在0.1秒~1000秒左右，以2秒为界，大致可以分为长暴和短暴两类，典型的持续时间分别为30秒和0.3秒。时变的轮廓比较复杂，往往具有多峰的结构。伽玛射线暴在天空中的分布是各向同性的，但远距离的伽玛射线暴明显少于近距离的，显示出非均匀各向同性，可以被膨胀宇宙学模型所支持，表明伽玛射线暴是发生在宇宙学距离上的。

伽玛射线暴爆发过后会在其它波段观测到辐射，称为伽玛射线暴的余辉。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。

爆发历史

总论

一、星际尘埃吸收伽马射线暴可见光，2009年6月8日，在美国天文学学会会议上美国加州大学伯克利分校丹尼尔－珀利（Daniel Perley）说：“我们相信已经揭开了黑暗伽马射线暴的成因之谜。”他和同事们通过加州帕洛马天文台直径60英寸的望远镜发现“雨燕”探测卫星曾观测的29个伽马射线暴中14个是黑暗的，无法观测到可见光波。他们进一步通过夏威夷凯克天文台的10米望远镜进行观测，结果显示它们并不是完全处于黑暗状态。这14个黑暗伽马射线暴中有3个透出微弱光线，像昏暗的余晖，其余的11个伽马射线暴虽然处于黑暗状态，但是研究小组发现了导致伽马射线暴产生的强烈爆炸所在的星系。这说明这些伽马射线暴产生的星系距离地球不会超过129亿光年，因为这已经接近了人类宇宙观测的极限。而且如果距离超过129亿光年，任何可探测的光波都会发生多普勒红移。

几次特别的伽马射线暴

1997年12月14日发生一次伽马射线暴，它距离地球远达120亿光年，所释放的能量比超新星爆发还要大几百倍，在50秒内所释放出伽马射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。这次伽马射线暴持续时间在一两秒内，其亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮。

1999年1月23日发生的伽马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马射线暴。

在2009年4月23日，天文学家曾观测到迄今最遥远的伽马射线暴，它距离地球131亿光年，也是人类观测到的最遥远天体，导致该伽马射线暴发生的强烈爆炸发生在宇宙起源后不到7亿年时。研究小组评估称，黑暗伽马射线暴在宇宙早期阶段所有伽马射线暴中只占0.2%到0.7%，这也说明宇宙起源早期并没有发生非常多的恒星形成现象。

2004年，地球曾遭遇巨型“耀斑”袭击，一次来自宇宙深处的高能伽马射线暴轰击了地球大气。那一次轰击前所未有，其在小于一秒的瞬间发出的能量相当于太阳在50万年内发出的总能量。

这一事件发生在2004年12月27日，它来自一类中子星：磁星。这种中子星具有超强的磁场，这次爆发的这颗位于银河系的另一端。发生爆发的磁星编号为SGR 1806-20，它也被称为“软伽马射线复现源”，通常这类天体辐射集中在低能伽马射线波段，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。

2013年11月24日，多国研究人员报告他们利用太空与地面望远镜，观测到截止2013年为止最亮的一个伽马射线暴，这也是人们观测到的最剧烈的一次宇宙爆炸。美国航天局的雨燕太空望远镜、费米伽马射线太空望远镜以及其他地面望远镜，在2013年4月27日观测到在多个方面都打破纪录的伽马射线暴GRB 130427A。它的亮度在地球上拿双筒望远镜都可以看见。根据对余晖的光谱观测还发现，这个伽马射线暴发生在距地球约36亿光年处，这个距离仅为典型伽马射线暴的三分之一远。引发这个伽马射线暴的是一颗巨大恒星的爆炸，该恒星质量是太阳的20到30倍，但体积只有太阳的3到4倍，是一颗非常致密的恒星。

科学家最新研究称，地球在公元8世纪时曾遭受宇宙中迄今已知的最强大的爆炸—伽玛射线爆发的洗礼。此项研究的研究报告发表在了最新一期的国际著名天文刊物《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。

二、研究人员在2012年发现的证据表明，我们的地球曾在中世纪被一阵辐射击中，但一直不清楚到底发生了什么样的宇宙事件。2012年，一项最新的研究表明，当时银河系发生了两个黑洞或两颗中子星合并的现象。合并仅在数秒钟内发生，但它们释放出了大量的辐射波和能量。此项研究的负责人、德国耶拿大学天体物理学协会的教授拉尔夫·纽豪瑟（Ralph Neuhauser）说：“伽玛射线爆发是非常有爆发力的活动，我们的研究表明，能量来自3000至12000光年远，这在我们的银河系范围内。”

2011年，一个研究小组在日本发现，一些古老的雪松树上有一种不同寻常的放射性碳，被称为碳14。研究人员还在南极冰盖上发现了放射性铍—铍10。这些同位素产生于强烈的辐射冲击上层大气中的原子时，这表明，来自太空的能量爆发曾经冲击过我们的地球。根据树木年轮和冰的数据，研究人员能够确定，这一事件发生于公元774年和公元775期间。

2013年11月21日，多国研究员表示，他们利用太空与地面望远镜，以前所未有的精度观测到迄今最亮的一个伽马射线暴，这也是人们观测到的最剧烈的一次宇宙爆炸。亚拉巴马大学亨茨维尔分校博士后熊少林分析道：“类似的爆炸可能是百年一遇。”首先，它是迄今人们观测到的最亮的一个伽马射线暴，在地球上拿双筒望远镜都可以看见；第二，单个光子能量最高（950亿电子伏），相当于典型太阳光的300亿倍；第三，这个伽马射线暴的余晖高能辐射长达20小时，是持续时间最长的一次。此外，这次伽马射线暴也是迄今观测到的所有伽马射线暴中总能量释放最大的之一。

天文学家发现伽马射线暴背后新机制

北京时间2013年12月28日消息，据物理学家组织网站报道，澳大利亚科廷大学的天文学家发现了一类新的爆发恒星，他们在转变为黑洞之前会首先停止对外发射无线电波辐射。这些恒星会用尽它们生前的最后一丝力气发出一次强烈的辐射，即一次高能的伽马射线暴，随后死去。

天文学家们一直相信在伽马射线暴之后应当会紧随其后出现无线电波波段的余晖。而这一点正是澳大利亚悉尼大学和科廷大学全天天体物理学中心（CAASTRO）试图去证明的。

此项研究的首席科学家，科廷大学天文学家保罗·汉考克博士（Dr. Paul Hancock）表示：“但我们错了。我们对一次伽马射线暴的精确图像进行的仔细研究，但它并没有无线电辐射余晖。我们可以有把握地说，我们此前的理论是错误的，我们的望远镜设备没有让我们失望。”

该研究组用于构建伽马射线暴超高精度图像从而开展有关研究的技术方法已经在出版的《天体物理学报》上进行了详细报道。

这项技术允许将超过200张图像进行叠加，从而合成出比原始图像质量好得多的伽马射线暴图像，但即便在这样质量的图像上，研究人员也没有能发现存在无线电波段辐射余晖的迹象。汉考克博士表示：“在我们的研究论文中，我们认为必定存在两种不同的伽马射线暴，其原因可能与爆发恒星不同的磁场特性有关。”

伽马射线的闪电模拟

天文学家的以前说法：可能是由于这种伽马射线暴距离太远，无法在视觉波长范围内观测。最新一项研究揭示了其中的奥秘，星际尘埃吸收了几乎全部的可见光，但能量更高的伽马射线和X射线却能穿透星际尘埃，被地球上的望远镜捕捉到。大质量恒星的死亡会产生伽马暴这一观点已经得到普遍认同。天文学家认为，其中的大多数伽马暴是在超大质量恒星耗尽核燃料时发生的。当恒星的核心坍缩为黑洞后，物质喷流以接近光速的速度向外冲出。喷流从坍缩星涌过，继续向宇宙空间行进，并与先前被恒星照耀的气体相互作用，产生随着时间衰减的明亮余辉。多数伽马射线将在可见光范围内呈现出明亮光线。然而一些伽马射线暴却是黑暗状态，它们在光学望远镜中无法探测到。最新一项研究显示，黑暗伽马射线暴实际上并不是由于距离遥远而无法观测，它们无法释放光线是由于被星际尘埃吸收了大部分的可见光，这些星际尘埃团可能是恒星孕育诞生地。

曾经引发4亿年前生物大灭绝。它可能产生于雷，也参与闪电的形成。最新的研究表明，雷中释放出的伽马射线可能才是闪电形成的主要原因。关于雷电伽马射线可能是闪电形成的主要原因。这个猜想，2008年前佛罗里达技术协因。康普顿伽马射线天文台在上世纪会的天体物理学家约瑟夫-德怀尔就90年代早期就从地面的雷电中发现了提出了。伽马射线。当时德怀尔从一些相关的学术报告伽马射线是波长小于0.1纳米的电中发现伽马射线和闪电有关系，为了证磁波，辐射能量比x射线还高。伽马射明这一关系，他建立了一个高能量辐射线在短期内突然增强就会形成射线暴。模型用来描述地球大气层电场的形成。其能量释放相当于宇宙大爆炸。伽马射结果发现，这些在电场中的伽马射线释线暴形成的原因，到底是由两个中子星放的高速电子与大气层其他微粒发生碰碰撞时产生的还是大质量恒星在死亡撞，可以产生强大的雷鸣声。同时释放时生成黑洞的过程中产生的。都没出电荷。在雷雨天气中。上升气流和下有定论。但有一点是科学家们都承认的，降气流推动水分子互相作用。电场强度那就是在有巨大的宇宙能量产生时，比增大，最终释放出的电子以接近光速的如雷暴产生的过程中。会产生伽马射线。速度穿越空气。

虽然当时德怀尔的猜想神秘的闪电可能是由雷暴释放的伽马射线形成的。自然也就仅限于猜想而已。最终并没有形成定论。真正可以模拟并最邻近伽马射线形成闪电模拟的，是2012年日本东京理工大学和日本物理和化学研究所联合的一次研究。这个研究组派出一支伽马射线研究分队，到日本海的低空中观察在雷电中形成的伽马射线。

研究成果

袭击地球

广泛的理论研究认为，第一次物种大灭绝在四亿多年前的奥陶纪，地球曾被伽玛射线爆袭击，天空中会出现两个太阳的现象，70%的大气被破坏，致使海洋生物链基层被破坏，75%的生物从地球上消失。这就是第一次物种大灭绝，使脊椎动物成为了地球上新的霸主。

科学家发现一场神秘的短伽马射线暴产生的高能辐射可能袭击了公元八世纪的地球。如果同样的情形发生在现代，可能造成卫星毁损，甚至破坏地球臭氧层，对地球生物造成毁灭性的影响。

在2012年，科学家宣布在古树木年轮中检测到高水平的碳14同位素和铍-10含量，而这些古树木形成于公元775年，这项发现暗示了在公元774年或者公元775年发生了宇宙高能辐射袭击地球的事件。当来自宇宙空间的高能辐射与高空大气中的原子发生碰撞后，便形成了碳14和铍-10。

通过研究，科学家们排除了距离太阳系较近的超新星爆发的可能性，这是因为人们并没有记录下天空中出现的异常现象，而且现代天文学没有观测到可能的天体残骸。

由此，科学家提出了另一种解释，认为这次宇宙高能辐射袭击地球可能源于两个天体发生的合并事件。当这种情况发生时，就会释放一些伽马射线，天体的合并伴随着短暂而强烈的伽马暴，但是在可见光波段上可能没有任何迹象。

科学家还指出，此类天体事件距离太阳不会低于3000光年，因为少于这个距离发生的强伽马暴和天体能量释放就可以导致地球生命灭绝。天文学家也在寻找这个神秘的宇宙天体碰撞残骸，可能是一个仅1200年历史的黑洞，或者3000~1.2万光年处的中子星等。

科学家表示，地球暂时不太可能再遇到一次同样的情况，但若这种情形再度发生，外太空的现代人造卫星将首当其冲受到影响，高能辐射还会造成地面通讯、气象研究中心瘫痪。而如果强伽马暴距离地球更近的话，辐射威力将足以摧毁臭氧层，这会对地球上的生命造成毁灭性的影响。

婴儿宇宙

伽马暴发生在宇宙6亿3千万岁的时候，直接证实婴儿宇宙中活跃着爆发的恒星和新诞生的黑洞。“这个新发现的伽马暴打破了所有的纪录，”Berger说。“它轻易地超越了最遥远的星系和类星体。实际上，它表明，我们可以利用这些壮观的事件来找到第一代恒星和星系。”

一旦大质量恒星的核燃料用尽，塌缩成一个黑洞或者中子星，通过恒星在生命终点排出的气体外壳喷发出气体喷流，典型的伽马射线暴就发生了。这些喷流加热气体，产生在其它波段观测到的短暂余辉。“爆发的余辉提供我们关于爆发恒星和其环境的很多信息，”Leicester大学的Nial Tanvir说。“但是因为余辉消逝得如此快，我们必须快速瞄准并定位它们。”

Tanvir和同事们在三个小时的爆发时间内，用夏威夷莫纳克亚的英国红外望远镜探测了一个红外源。同时，宾州大学的Berger和Derek Fox用莫纳克亚的双子北望远镜得到了余辉的红外影像。

天文学家注意到，该源在最长波段的影像中存在，但是在最短的微米波长的影像中不存在。这一“缺失”对应的精确距离为130.35亿光年，或者红移为8.2，使得它成为人类迄今看到的最遥远的天体。前纪录保持者才发现，它的红移为6.7，或者1亿9千万光年，GRB 090423显然成为新的领跑者。