大爆炸以来最亮事件：伽马射线暴，解读史上最强伽马暴事件

上月底（2023 年 3 月），包括中科院高能所在内的全球 40 多家科研机构联合发布了一项研究成果：关于迄今为止最亮的伽马射线暴事件 --GRB 221009A。一同发布的还有《天体物理学杂志快报》上的 11 篇论文，它们基于世界各地的探测器数据，从多个方面对这次事件进行了详细地分析和研究。

今天我们就来探寻下这种亮度仅次于"大爆炸"的宇宙高能事件 -- 伽马射线暴（GRB）。

伽马暴的发现

最早人们对伽马射线暴的研究要追溯到上世纪六十年代。那时正值美苏冷战期间，为了阻止进一步的核军备竞赛，防止核武器试验对地球大气造成过量影响，美、英、苏三国共同签署了一份限制条约 --《部分禁止核试验条约》。

为了监控苏联有没有违反条约，之后美国发射了一系列用于监测伽马射线的卫星 -- 维拉号（Vela）。

1967 年 7 月 2 日下午 14:19，维拉号的 3 号和 4 号卫星突然收到了一个不同于已知任何核武器的异常伽马射线信号。之后随着越来越多类似的莫名其妙的伽马射线信号被发现，研究人员在 1973 年 6 月的《天体物理学杂志》上发表了名为"源于宇宙的伽马射线暴观测"的调查结果。

通过监测卫星研究人员在 1969~1972 连续 3 年时间里共计捕捉到了 16 次的短暂光子爆发，并且确认了这些爆发并非来自地球和太阳，而是遥远的宇宙空间。从此天文学家开始对伽马射线暴这一神秘的宇宙事件产生了兴趣。

早先许多人认为，伽马射线暴应该是一种发生在银河系中的现象，可能和脉冲星有关。于是大家一拥而上，基于中子星创建了上百个关于伽马暴的理论模型。

可是通过借助越来越多高精度的探测器，人们渐渐发现，几乎所有的伽马暴都不是银河系中发出的，而是来自数十亿光年外更加遥远的星系。可是从那么远的距离射来的光还如此强劲，这能量实在高得吓人。

通过计算，典型的伽马暴在几秒内释放的能量相当于太阳 10 亿年释放的能量总和！而这次发现的伽马暴更是在一分钟内释放了相当于 8 个太阳的能量！

对于如此迅猛的爆发人们十分好奇，它的源头到底发生了什么？但是奈何伽马暴的持续时间都非常短，有的甚至只有几毫秒，加上出现时间和地点还都很随机，所以想对其进行直接研究非常困难。一般情况下都是发现哪儿有伽马暴了，然后赶紧把望远镜对准那儿，看一看在相应位置有什么对应的天体。

起初人们觉得，这里可能对应着脉冲星、超新星，甚至是球状星团、类星体这样的明亮天体。但是或许是时机不对，也可能是技术受限，在随后的几十年里，天文学家在相应地方没有找到任何意料之中的东西。

转机出现在 1998 年 4 月 25 日，当晚一台 X 射线卫星上的伽马射线暴监测器捕捉到了一个 3 秒的伽马暴信号（GRB 980425）。之后该位置出现了一颗明亮的超新星（SN 1998bw），这次事件也成了伽马暴与大质量恒星死亡之间存在联系的第一个强有力证据。

随着越来越多更为先进的专门针对伽马射线暴的监测器投入使用，目前认为大部分观测到的伽马射线暴应该都源自大质量恒星在演化末期的超新星爆发。而少部分持续时间小于 2 秒的"短暴"，则可能和千新星（也就是上次说的中子星合并）有关，相关证据来源于几乎与伽马暴相同时间捕捉到的引力波信号。

有史以来最亮伽马暴

2022 年 10 月 9 日晚，专门用于研究伽马射线暴的 Swift 空间望远镜捕捉到了一个异常明亮的信号。

系统在 5 秒内计算出了该次爆发的位置并将相关数据分发给了地面团队。随后研究人员在费米伽马射线望远镜的数据中也找到了该信号。有点儿意外的是，费米望远镜其实在 Swift 发现前的 55 分钟就已经监测到了异常信号，但是由于某些原因该数据未被分发出去。不管怎样，最终世界各地的探测器都陆陆续续发现了该信号，这一事件也很快被正式归为伽马射线暴（GRB 221009A）。

这次的伽马暴不仅持续时间长，更特别的是它的亮度出奇的高，已被认为是目前甚至是在可预见的未来最亮的伽马暴。因为从概率上讲，这样的事件每隔几个世纪才会遇到一次。也就是说，我们这一生可能再也无法观测到如此极端明亮的事件，所以对整个人类文明来说，这是一次极为宝贵的研究机会。

伽马暴很亮还有个好处，就是它的"余晖"会很长。

虽然伽马暴最明亮的阶段集中在一开始的那一小段儿时间，但是光子束与环境介质相互作用会产生激波，在这个过程中电子会被加速并产生同步辐射，这种辐射会贯穿从伽马射线到无线电的整个电磁波波段，那些波长更长的电磁波可以持续几天甚至是几年。所以即使是未来几年内，通过射电望远镜我们仍然有可能对该次事件进行后续观测。

伽马暴产生原因

刚才说了，对于这种长暴通常人们认为应该和大质量恒星的死亡有关。

大质量恒星在演化末期坍缩成中子星或黑洞后，在强大的引力作用下，对周围物质或伴星的吸积会使其形成一个吸积盘。当吸积盘的磁感线扭曲到一定程度，这里将会发生像恒星表面一样的磁重联。不同的是，对恒星来说这可能会引发表面物质抛射（SME），但对吸积盘来说则会导致高能粒子以接近光速从两极喷射而出，即相对论性喷流。这种短暂的高能喷流可能就是伽马射线暴的来源之一。

但是并不是所有的长伽马暴都是大质量恒星死亡造成的，像这次的事件（GRB 221009A）我们在光谱中就没有观察到任何明显的超新星特征。目前认为这可能是超新星的能量和喷流重叠了，也可能是这颗超新星压根就没那么亮。

可是一颗暗淡的超新星是如何迸发出如此高亮度的伽马暴呢？

通过对这次伽马暴的建模分析，研究人员似乎找到了原因：这次的高亮度可能并不是因为爆发的能量有多大，而是因为喷流的方向正对着我们。没错，我们正在直面喷流！

虽然直面喷流，但好在我们离得足够远。通过测量光谱红移，爆发位置距离我们超过了 20 亿光年。也就是说，早在 20 亿年前这束光就已经向我们奔来，直到今天才有零星剩余光子到达地球并被我们捕捉到。倘若这一切都发生在银河系内的话，这可能就是另一个故事了。

等一下

既然伽马射线暴是一种以光速传播的电磁波，那就是说…… 在它到达地球之前，我们没有办法去预测。

银河系的恒星规模上千亿，只算大质量恒星估计也有百亿。虽然概率很低，但不排除已经有一束直奔我们而来的伽马射线暴，我们暂时无法知晓。未来当它抵达地球的那一天，或许也是人类文明的终结之时。难道宇宙中这种不定期的生物"大扫除"就是传说中解释费米悖论的"大过滤器"么？

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo