伽玛射线暴——宇宙大爆炸之后最剧烈的恒星尺度的爆发

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210097)

伽玛暴是一种来自于宇宙空间某一方向的短时标(从几毫秒到上千秒)伽玛射线突然剧烈增强现象(如图1)，这是自宇宙大爆炸以来人类所观测到的最剧烈的恒星级爆发现象。我们对伽玛暴的观测起始于无心插柳式的卫星监控，而在现今，伽玛暴是整个天体物理研究的最热门的方向之一。

图1 GRB971214的瞬时伽玛辐射

1 伽玛暴的发现与成因

上个世纪五十年代到九十年代，美国和苏联两个超级大国的冷战阴影一直笼罩着世界。1963年8月5日，美国、苏联和英国在莫斯科签署了《部分禁止核试验条约》，禁止在大气层、外层空间和水下进行核试验，但是允许在地下进行核试验。为了监视该条约的实施，1963到1965年美国陆续发射了12颗军用vela卫星，用来监测东方国家特别是苏联可能进行的核试验。没有料想到的是，卫星发射后，在1969年至1972年三年时间里，vela5和vela6卫星探测到了来自于天空各个方向的十几次伽玛射线突然增强的现象，持续时标从0.1秒到几十秒不等，这些数据让美国军方困惑不止，因为很明显这无法用太空核试验来解释。由于vela卫星的观测数据涉及军事机密，因此直到1973年，该批数据才得以解密公布，使得宇宙中某些剧烈物理过程导致的伽玛暴出现在人们的眼前。

随之而来的问题是：伽玛暴是如何产生的？关于伽玛暴的成因，曾经引起天文学家之间很大的争论，并由此分成了两派：宇宙学距离上的塌缩星(大质量恒星演化的最后阶段直接塌缩成黑洞，通常伴有Ib/c型超新星爆发)起源和银河系内的中子星起源。在上世纪七、八十年代，银河系内的中子星起源占了绝对上风，主要是因为日本银河(Ginga)卫星的不准确的观测结果。银河卫星在不止一次的伽玛暴的观测中发现其能谱中存在几十千电子伏特的回旋共振吸收线，恰好验证了银河系内中子星起源理论。在几乎是一边倒的银河系内中子星理论的研究中，美国天体物理学家帕钦茨基(Bohdan Paczynski)认为伽玛暴来自于宇宙学距离上的、银河系外的、和类星体一样遥远的天体。这个理论在很长时间里并没有引起其他天文学家的重视，直到1991年，美国发射了“康普顿伽玛射线天文台”卫星，上面携带的BATSE探测器对伽玛暴进行了观测。几年观测结果表明伽玛暴的空间分布是各向同性的(如图2)，这与星系或类星体在宇宙空间的分布相似，完全不同于银河系内天体的分布。至此，天文学家开始认真对待帕钦茨基的理论。1997年意大利和荷兰合作发射了BeppoSAX卫星，这颗卫星能够准确测定伽玛暴的方位，定位精度约为50角秒，这为地面上的光学和射电望远镜对其进行后续观测提供了巨大的帮助。1997年2月28日，天文学家第一次成功地观测到了伽玛暴GRB 970228的光学余辉，余辉是指在伽玛暴的短时标伽玛射线辐射之后，在低频段出现的对应体的辐射，测得其宿主星系的距离，红移z=0.695,相当于8.1×109光年。这个距离远远超出了银河系的范围，充分证明了伽玛暴起源于宇宙学距离。[1]

伽玛暴的宇宙学起源带来了另一个致密性问题：观测得到的伽玛暴辐射能谱是分段幂律谱，为什么不是黑体谱？因为根据伽玛暴的宇宙学距离，在伽玛暴发生的短短几十毫秒到几百秒里，释放了巨大的能量，其各向同性能量可以达到1054尔格(在天文研究中，通常采用厘米-克-秒制，1焦耳=107尔格)，这比太阳在其100亿年生命周期里释放的能量总和还多。另外，观测到的伽玛暴的辐射流量变化时标是毫秒量级，这意味着伽玛暴的区域尺度大约为107厘米。考虑到伽玛暴在爆发的短时间内如此巨大能量集中在如此小的区域中，会产生伽玛暴火球，火球里会有大量的正负电子对产生以及湮灭，从而使得这个火球光深极大，变得极端不透明。从理论上说，从这样一个区域出来的辐射，应该是黑体辐射，可是观测却发现伽玛暴辐射能谱是分段幂律谱。天文学家发展出了相对论性火球模型来解释其致密性问题，即伽玛暴火球中含有少量的重子成分，当火球膨胀时会将一部分内能转化为重子物质的定向运动动能，经过耗散，转化为内能加速电子，产生同步加速辐射，即会观测到分段幂律谱。火球的湮灭光深取决于整体运动速度，经过推算得到火球的相对论性速度的洛伦兹因子可以达到几百甚至更高，意味着伽玛暴辐射区域速度接近于光速。

因此伽玛暴是宇宙尺度上的恒星级天体的剧烈能量释放过程，这部分能量在短时间内释放出来，裹挟着一定量的重子物质，加速到极端相对论的程度，辐射区透明的时候发出了伽玛射线辐射。

2 伽玛暴的主要观测结果和理论

受益于一系列天文观测卫星(CGRO，BeppoSAX, HETEII，Chandra, Swift和Fermi)的观测，特别是雨燕卫星(Swift)和费米卫星(Fermi)的出色观测工作，我们对伽玛暴的认识在最近几年有了巨大的飞跃，这些观测成果也直接促进了伽玛暴理论的完善。

根据BATSE探测器观测到的伽玛暴的爆发持续时间，通常将伽玛暴分为两类：长暴(T90>2秒)和短暴(T90<2秒)(T90是指伽玛暴的90%流量辐射时间)，这两类伽玛暴对应于不同的起源：通常认为长暴起源于大质量恒星的塌缩，短暴则起源于双中子星或者中子星-黑洞的合并。[2]伽玛暴余辉的观测同时证实了伽玛暴的外流体是极端相对论性的，并且集束在很小的张角之内，即形成相对论性喷流，其相对论性速度的洛伦兹因子可以达到几百甚至更高。

高红移伽玛暴不断被观测到，其中伽玛暴GRB080913红移是6.7，伽玛暴GRB090423红移达到了8.2，这意味着这颗伽玛暴事件爆发地点距离地球大约130亿光年，而宇宙大爆炸至今也才137亿年。高红移伽玛暴的观测可以很好地帮助我们了解极早期宇宙,也让我们对观测红移在10-20的第一代恒星产生的伽玛暴产生期待。

康普顿伽玛射线卫星(CGRO)上的EGRET望远镜最早探测到高能GeV光子(>100MeV)辐射伽玛暴，但是获取到的观测资料并不是很多，直到通过Fermi卫星观测,我们才获得了详尽的高能光子谱。Fermi卫星共观测到了几十颗有高能辐射的伽玛暴，占同期观测到的伽玛暴的10%。

另外，1998年李立新和帕钦茨基曾经预言：当双中子星或者中子星-黑洞并合时，0.001个到0.01个太阳质量的富含中子的物质被抛射出来，通过快速中子俘获过程合成的重元素的快速放射性衰变可以产生明亮的光学辐射(主要在近红外波段)，持续几天，亮度通常可以达到千倍新星量级，这被称之为千新星或者巨新星。[3]迄今为止已通过4颗短暴光学余辉观测到千新星现象，对千新星的观测与研究，有助于我们了解双中子星或者中子星-黑洞并合时其抛射物的质量、速度、能量等物理性质，进而有助于了解其中心能源性质。

3 短伽玛暴GRB170817A和引力波事件GW170817

2017年8月17日费米卫星的GBM探测器和INTEGRAL卫星都探测到了一次短伽玛暴爆发：GRB170817A，[4，5]GBM探测器在短暴触发之后14秒便自动发出预警，提示地面望远镜跟进观测，大概6分钟之后，激光干涉引力波天文台(LIGO)发出预警，在GRB170817A触发之前大概1.7秒，便探测到了引力波信号：GW170817。引力波GW170817触发后一天里，全球超过70架以上的各种天文望远镜都参与了观测，其中包括中国南极天文中心的南极巡天望远镜和慧眼硬X射线卫星。[6]

图3为短暴GRB170817A的光学余辉，可以很清晰地看到暴后11个小时开始的光学/红外千新星光变以及100天左右的开始的光学余辉。[7]图4为GRB170817A的射电、光学以及X射线的余辉光变曲线。[8]

图3

图4

下面我们简单描述一下GRB170817A的观测结果，该暴大约离地球1.3亿光年，爆发周期约为2秒，整个各向同性能量要比以前观测到的最弱的短暴能量低几个量级，在大概0.6秒的较硬的(峰值能量KeV)脉冲之后，跟随着大概1秒左右的热辐射。其余辉观测也很特别，暴后11个小时便观测到千新星(如图3)，衰减之后在100天左右重新观测到光学余辉，X射线余辉在暴后九天之后才观测到，而通常短暴的明亮的衰减X射线余辉在暴后一天左右就可以观测到。射电余辉直到16天之后才观测到(如图4)。这些都与以前观测到的正常短暴极不相同。对GRB170817A的解释通常认为我们观测的视线并未对准喷流的中心轴，而是偏离一个比较大的角度，或者该短暴的喷流并未成功爆出，而是形成一个茧状物。当然对该短暴的奇特的余辉，解释一直在继续。

短暴GRB170817A是一颗极特殊的伽玛暴，在这颗伽玛暴上第一次真正实现了从引力波到电磁波、从伽玛射线到射电的多信使观测，所谓多信使观测是指通过引力波、电磁波、高能宇宙线、中微子中的两个或多个进行联合观测的方法。在引力波事件GW170817之前，激光干涉引力波天文台共探测到四次引力波，全部是双黑洞并合，这四次事件仅探测到引力波信号，并没有任何电磁信号，因此伽玛暴GRB170817A的重要性怎么强调都不为过。

从GW170817的信号中，科学家们模拟了双中子星并合的场景：离地球1.3亿光年有一双中子星系统，该系统中单个星体的质量在0.86个太阳质量到2.26个太阳质量之间，在并合前的大约100秒，它们相距400千米，每秒内相互环绕12圈。每转一圈，引力波的辐射带走角动量会迫使它们逐渐接近。随着轨道的收缩，它们相互环绕的速度越来越快，引力波的强度和频率也不断增加，直至完全并合，产生伽玛暴GRB170817A，发出瞬时软伽玛辐射，并在之后不到一天的时间里，观测到抛射物产生的千新星SSS17a/AT2017gfo(如图3)。

至此，天文学界又有了重大发现，人类对宇宙的探索与认知向前迈进了一大步。

4 结语

自上个世纪70年代发现伽玛暴至今，人类对伽玛暴进行了从引力波到电磁辐射、从射电到高能GeV光子辐射全波段的多信使观测，对伽玛暴的认识也日益加深。伽玛暴是产生于宇宙尺度的一种高能的短暂爆发现象，它打开了研究大质量恒星的演化、星际介质、星系、宇宙学、量子引力、引力波、宇宙中极高能宇宙射线、极高能中微子等的窗口。