伽瑪射線暴
——宇宙大爆炸之后最劇烈的恒星尺度的爆發

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210097)

伽瑪暴是一種來自于宇宙空間某一方向的短時標(從幾毫秒到上千秒)伽瑪射線突然劇烈增強現象(如圖1)，這是自宇宙大爆炸以來人類所觀測到的最劇烈的恒星級爆發現象。我們對伽瑪暴的觀測起始于無心插柳式的衛星監控，而在現今，伽瑪暴是整個天體物理研究的最熱門的方向之一。

圖1 GRB971214的瞬時伽瑪輻射

1 伽瑪暴的發現與成因

上個世紀五十年代到九十年代，美國和蘇聯兩個超級大國的冷戰陰影一直籠罩著世界。1963年8月5日，美國、蘇聯和英國在莫斯科簽署了《部分禁止核試驗條約》，禁止在大氣層、外層空間和水下進行核試驗，但是允許在地下進行核試驗。為了監視該條約的實施，1963到1965年美國陸續發射了12顆軍用vela衛星，用來監測東方國家特別是蘇聯可能進行的核試驗。沒有料想到的是，衛星發射后，在1969年至1972年三年時間里，vela5和vela6衛星探測到了來自于天空各個方向的十幾次伽瑪射線突然增強的現象，持續時標從0.1秒到幾十秒不等，這些數據讓美國軍方困惑不止，因為很明顯這無法用太空核試驗來解釋。由于vela衛星的觀測數據涉及軍事機密，因此直到1973年，該批數據才得以解密公布，使得宇宙中某些劇烈物理過程導致的伽瑪暴出現在人們的眼前。

隨之而來的問題是：伽瑪暴是如何產生的？關于伽瑪暴的成因，曾經引起天文學家之間很大的爭論，并由此分成了兩派：宇宙學距離上的塌縮星(大質量恒星演化的最后階段直接塌縮成黑洞，通常伴有Ib/c型超新星爆發)起源和銀河系內的中子星起源。在上世紀七、八十年代，銀河系內的中子星起源占了絕對上風，主要是因為日本銀河(Ginga)衛星的不準確的觀測結果。銀河衛星在不止一次的伽瑪暴的觀測中發現其能譜中存在幾十千電子伏特的回旋共振吸收線，恰好驗證了銀河系內中子星起源理論。在幾乎是一邊倒的銀河系內中子星理論的研究中，美國天體物理學家帕欽茨基(Bohdan Paczynski)認為伽瑪暴來自于宇宙學距離上的、銀河系外的、和類星體一樣遙遠的天體。這個理論在很長時間里并沒有引起其他天文學家的重視，直到1991年，美國發射了“康普頓伽瑪射線天文臺”衛星，上面攜帶的BATSE探測器對伽瑪暴進行了觀測。幾年觀測結果表明伽瑪暴的空間分布是各向同性的(如圖2)，這與星系或類星體在宇宙空間的分布相似，完全不同于銀河系內天體的分布。至此，天文學家開始認真對待帕欽茨基的理論。1997年意大利和荷蘭合作發射了BeppoSAX衛星，這顆衛星能夠準確測定伽瑪暴的方位，定位精度約為50角秒，這為地面上的光學和射電望遠鏡對其進行后續觀測提供了巨大的幫助。1997年2月28日，天文學家第一次成功地觀測到了伽瑪暴GRB 970228的光學余輝，余輝是指在伽瑪暴的短時標伽瑪射線輻射之后，在低頻段出現的對應體的輻射，測得其宿主星系的距離，紅移z=0.695,相當于8.1×109光年。這個距離遠遠超出了銀河系的范圍，充分證明了伽瑪暴起源于宇宙學距離。[1]

伽瑪暴的宇宙學起源帶來了另一個致密性問題：觀測得到的伽瑪暴輻射能譜是分段冪律譜，為什么不是黑體譜？因為根據伽瑪暴的宇宙學距離，在伽瑪暴發生的短短幾十毫秒到幾百秒里，釋放了巨大的能量，其各向同性能量可以達到1054爾格(在天文研究中，通常采用厘米-克-秒制，1焦耳=107爾格)，這比太陽在其100億年生命周期里釋放的能量總和還多。另外，觀測到的伽瑪暴的輻射流量變化時標是毫秒量級，這意味著伽瑪暴的區域尺度大約為107厘米。考慮到伽瑪暴在爆發的短時間內如此巨大能量集中在如此小的區域中，會產生伽瑪暴火球，火球里會有大量的正負電子對產生以及湮滅，從而使得這個火球光深極大，變得極端不透明。從理論上說，從這樣一個區域出來的輻射，應該是黑體輻射，可是觀測卻發現伽瑪暴輻射能譜是分段冪律譜。天文學家發展出了相對論性火球模型來解釋其致密性問題，即伽瑪暴火球中含有少量的重子成分，當火球膨脹時會將一部分內能轉化為重子物質的定向運動動能，經過耗散，轉化為內能加速電子，產生同步加速輻射，即會觀測到分段冪律譜。火球的湮滅光深取決于整體運動速度，經過推算得到火球的相對論性速度的洛倫茲因子可以達到幾百甚至更高，意味著伽瑪暴輻射區域速度接近于光速。

因此伽瑪暴是宇宙尺度上的恒星級天體的劇烈能量釋放過程，這部分能量在短時間內釋放出來，裹挾著一定量的重子物質，加速到極端相對論的程度，輻射區透明的時候發出了伽瑪射線輻射。

2 伽瑪暴的主要觀測結果和理論

受益于一系列天文觀測衛星(CGRO，BeppoSAX, HETEII，Chandra, Swift和Fermi)的觀測，特別是雨燕衛星(Swift)和費米衛星(Fermi)的出色觀測工作，我們對伽瑪暴的認識在最近幾年有了巨大的飛躍，這些觀測成果也直接促進了伽瑪暴理論的完善。

根據BATSE探測器觀測到的伽瑪暴的爆發持續時間，通常將伽瑪暴分為兩類：長暴(T90>2秒)和短暴(T90<2秒)(T90是指伽瑪暴的90%流量輻射時間)，這兩類伽瑪暴對應于不同的起源：通常認為長暴起源于大質量恒星的塌縮，短暴則起源于雙中子星或者中子星-黑洞的合并。[2]伽瑪暴余輝的觀測同時證實了伽瑪暴的外流體是極端相對論性的，并且集束在很小的張角之內，即形成相對論性噴流，其相對論性速度的洛倫茲因子可以達到幾百甚至更高。

高紅移伽瑪暴不斷被觀測到，其中伽瑪暴GRB080913紅移是6.7，伽瑪暴GRB090423紅移達到了8.2，這意味著這顆伽瑪暴事件爆發地點距離地球大約130億光年，而宇宙大爆炸至今也才137億年。高紅移伽瑪暴的觀測可以很好地幫助我們了解極早期宇宙,也讓我們對觀測紅移在10-20的第一代恒星產生的伽瑪暴產生期待。

康普頓伽瑪射線衛星(CGRO)上的EGRET望遠鏡最早探測到高能GeV光子(>100MeV)輻射伽瑪暴，但是獲取到的觀測資料并不是很多，直到通過Fermi衛星觀測,我們才獲得了詳盡的高能光子譜。Fermi衛星共觀測到了幾十顆有高能輻射的伽瑪暴，占同期觀測到的伽瑪暴的10%。

另外，1998年李立新和帕欽茨基曾經預言：當雙中子星或者中子星-黑洞并合時，0.001個到0.01個太陽質量的富含中子的物質被拋射出來，通過快速中子俘獲過程合成的重元素的快速放射性衰變可以產生明亮的光學輻射(主要在近紅外波段)，持續幾天，亮度通常可以達到千倍新星量級，這被稱之為千新星或者巨新星。[3]迄今為止已通過4顆短暴光學余輝觀測到千新星現象，對千新星的觀測與研究，有助于我們了解雙中子星或者中子星-黑洞并合時其拋射物的質量、速度、能量等物理性質，進而有助于了解其中心能源性質。

3 短伽瑪暴GRB170817A和引力波事件GW170817

2017年8月17日費米衛星的GBM探測器和INTEGRAL衛星都探測到了一次短伽瑪暴爆發：GRB170817A，[4，5]GBM探測器在短暴觸發之后14秒便自動發出預警，提示地面望遠鏡跟進觀測，大概6分鐘之后，激光干涉引力波天文臺(LIGO)發出預警，在GRB170817A觸發之前大概1.7秒，便探測到了引力波信號：GW170817。引力波GW170817觸發后一天里，全球超過70架以上的各種天文望遠鏡都參與了觀測，其中包括中國南極天文中心的南極巡天望遠鏡和慧眼硬X射線衛星。[6]

圖3為短暴GRB170817A的光學余輝，可以很清晰地看到暴后11個小時開始的光學/紅外千新星光變以及100天左右的開始的光學余輝。[7]圖4為GRB170817A的射電、光學以及X射線的余輝光變曲線。[8]

圖3

圖4

下面我們簡單描述一下GRB170817A的觀測結果，該暴大約離地球1.3億光年，爆發周期約為2秒，整個各向同性能量要比以前觀測到的最弱的短暴能量低幾個量級，在大概0.6秒的較硬的(峰值能量KeV)脈沖之后，跟隨著大概1秒左右的熱輻射。其余輝觀測也很特別，暴后11個小時便觀測到千新星(如圖3)，衰減之后在100天左右重新觀測到光學余輝，X射線余輝在暴后九天之后才觀測到，而通常短暴的明亮的衰減X射線余輝在暴后一天左右就可以觀測到。射電余輝直到16天之后才觀測到(如圖4)。這些都與以前觀測到的正常短暴極不相同。對GRB170817A的解釋通常認為我們觀測的視線并未對準噴流的中心軸，而是偏離一個比較大的角度，或者該短暴的噴流并未成功爆出，而是形成一個繭狀物。當然對該短暴的奇特的余輝，解釋一直在繼續。

短暴GRB170817A是一顆極特殊的伽瑪暴，在這顆伽瑪暴上第一次真正實現了從引力波到電磁波、從伽瑪射線到射電的多信使觀測，所謂多信使觀測是指通過引力波、電磁波、高能宇宙線、中微子中的兩個或多個進行聯合觀測的方法。在引力波事件GW170817之前，激光干涉引力波天文臺共探測到四次引力波，全部是雙黑洞并合，這四次事件僅探測到引力波信號，并沒有任何電磁信號，因此伽瑪暴GRB170817A的重要性怎么強調都不為過。

從GW170817的信號中，科學家們模擬了雙中子星并合的場景：離地球1.3億光年有一雙中子星系統，該系統中單個星體的質量在0.86個太陽質量到2.26個太陽質量之間，在并合前的大約100秒，它們相距400千米，每秒內相互環繞12圈。每轉一圈，引力波的輻射帶走角動量會迫使它們逐漸接近。隨著軌道的收縮，它們相互環繞的速度越來越快，引力波的強度和頻率也不斷增加，直至完全并合，產生伽瑪暴GRB170817A，發出瞬時軟伽瑪輻射，并在之后不到一天的時間里，觀測到拋射物產生的千新星SSS17a/AT2017gfo(如圖3)。

至此，天文學界又有了重大發現，人類對宇宙的探索與認知向前邁進了一大步。

4 結語

自上個世紀70年代發現伽瑪暴至今，人類對伽瑪暴進行了從引力波到電磁輻射、從射電到高能GeV光子輻射全波段的多信使觀測，對伽瑪暴的認識也日益加深。伽瑪暴是產生于宇宙尺度的一種高能的短暫爆發現象，它打開了研究大質量恒星的演化、星際介質、星系、宇宙學、量子引力、引力波、宇宙中極高能宇宙射線、極高能中微子等的窗口。