23.6: 伽玛射线爆发之谜
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 简要介绍伽玛射线爆发是如何发现的，以及哪些仪器使发现成为可能
- 解释为什么天文学家认为伽玛射线爆发能量而不是向各个方向均匀辐射
- 描述伽玛射线爆发产生的辐射及其余辉是如何产生的
- 解释短时伽玛射线爆发与长时间的伽玛射线爆发有何不同，并描述产生短时伽玛射线爆发的过程
- 解释为什么伽玛射线爆发可以帮助我们了解早期的宇宙
每个人都喜欢一个好谜团，天文学家也不例外。 我们将在本节中讨论的谜团最早是在1960年代中期发现的，不是通过天文学研究，而是寻找核武器爆炸的明显迹象的结果。 美国国防部发射了一系列维拉卫星，以确保没有国家违反禁止在太空引爆核武器的条约。
由于核爆炸会产生能量最高的电磁波，称为伽玛射线（参见 Radiation and Spectra），因此 Vela 卫星包含用于搜索此类辐射的探测器。 这些卫星没有探测到来自人类活动的任何已证实事件，但令所有人惊讶的是，它们确实探测到了来自天空中随机方向的短暂伽玛射线。 这一发现的消息最早是在1973年发布的；但是，爆发的起源仍然是个谜。 没有人知道是什么产生了短暂的伽玛射线闪光，也不知道光源有多远。
从几次爆发到数千
随着美国宇航局于 1991 年发射康普顿伽玛射线天文台，天文学家开始发现更多的爆发并进一步了解它们（图\(\PageIndex{1}\)）。 大约每天一次，美国宇航局的卫星在天空中的某处探测到一阵伽玛射线，持续时间从几分之一秒到几百秒不等。 在康普顿进行测量之前，天文学家曾预计，爆发最有可能来自的地方是我们自己的（煎饼形）星系的主盘。 但是，如果是这样的话，那么在拥挤的银河系飞机上看到的爆发次数会比银河系上方或下方看到的还要多。 相反，爆发的来源是各向同性分布的；也就是说，它们可能出现在天空中的任何地方，不偏爱一个区域而不是另一个区域。 几乎从来没有发生过第二次爆发来自同一个地点。
要很好地直观地了解爆发在多大程度上来自天空，请观看这段简短的美国宇航局动画视频，该视频展示了后来的斯威夫特卫星发现的前 500 次爆发的位置。
几年来，天文学家一直在积极争论爆发源是相对较近还是很远——爆发的两种可能性是各向同性分布的爆发。 附近的地点可能包括环绕太阳系的彗星云或银河系的光环，它既大又球形，而且四面环绕着我们。 另一方面，如果爆发发生在很远的距离内，它们可能来自遥远的星系，这些星系在各个方向上也均匀分布。
无论是非常局部化的假设还是非常遥远的假设都需要一些奇怪的事情才能发生。 如果爆发来自我们自己太阳系的寒冷外围或来自银河系的光环，那么天文学家就不得不假设某种新的物理过程可能会在这些原本安静的太空区域产生不可预测的高能伽玛射线闪光。 而且，如果爆发来自数百万或数十亿光年之外的星系，那么它们必须非常强大才能在如此远的距离内观测；事实上，它们必须是宇宙中最大的爆炸之一。
第一次余辉
试图找出伽玛射线爆发来源的问题在于，我们用于探测伽玛射线的仪器无法精确定位天空中爆发发生的确切位置。 早期的伽玛射线望远镜没有足够的分辨率。 这令人沮丧，因为天文学家怀疑，如果他们能够精确定位其中一次快速爆发的确切位置，那么他们就能识别出其他波长的对应物（例如恒星或星系），并更多地了解爆发，包括爆发的来源。 但是，这需要对伽玛射线探测器技术进行重大改进以提供更好的分辨率，或者需要探测其他波长的爆发。 最后，这两种技术都发挥了作用。
这一突破来自于1996年意大利荷兰 BeppoSAX 卫星的发射。 BeppoSAX 包括一种新型的伽玛射线望远镜，该望远镜能够比以前的仪器更精确地识别光源的位置，在距离天空弧线的几分钟之内。 但是，它本身还不够复杂，不足以确定伽玛射线爆发的确切来源。 毕竟，一侧有几分钟弧线的盒子仍然可以容纳许多恒星或其他天体。
但是，BeppoSAX 的角分辨率足以告诉天文学家将其他更精确的望远镜指向哪里，以期探测到其他波长爆发产生的寿命更长的电磁发射。 在可见光或无线电波长下探测到爆发可以提供精确到几秒钟弧线的位置，并允许将位置精确定位到单个恒星或星系。 BeppoSAX 在航天器上携带了自己的X射线望远镜来寻找这样的对应物，在地面上使用可见光和无线电设施的天文学家也渴望搜索这些波长。
1997 年 BeppoSAX 的两次关键爆发观测帮助解开了伽玛射线爆发的奥秘。 第一次爆发发生在2月，来自猎户座的方向。 在8小时内，使用该卫星的天文学家确定了爆发的位置，并重新调整了航天器的方向，将 BeppoSAX的X 射线探测器聚焦在源上。 令他们兴奋的是，他们在事件发生8小时后发现了一个缓慢衰落的X射线源，这是第一次成功探测到伽玛射线爆发产生的余辉。 这为爆发提供了更好的位置（精确到大约 40 秒的弧线），然后将其分发给世界各地的天文学家，试图在更长的波长下探测它。
就在那天晚上，加那利群岛上的4.2米威廉·赫歇尔望远镜在与X射线余辉相同位置发现了一个褪色的可见光源，这证实在可见光下也可以探测到这种余辉。 最终，余辉逐渐消失，但在最初的伽玛射线爆发位置留下的是一个微弱而模糊的光源，就在光的衰落点所在的地方，一个遥远的星系（图\(\PageIndex{2}\)）。 这是第一个证据，证明伽玛射线爆发在很远的地方确实是非常有活力的物体。 但是，爆发源也有可能离我们更近，恰好与更远的星系对齐，因此，光靠这一观测并不能确凿地证明伽玛射线爆发的星系外起源。
同年5月8日，Camelopardalis星座的方向爆发了爆发。 在协调一致的国际努力中，BeppoSAX 再次确定了一个相当精确的位置，亚利桑那州基特峰上的望远镜几乎立刻就能捕捉到可见光余辉。 在两天之内，世界上最大的望远镜（夏威夷的凯克望远镜）收集了足够的光来记录爆发的光谱。 五月伽玛射线爆发余辉光谱显示了来自模糊物体的吸收特征，该物体距离太阳 40 亿光年，这意味着爆发的位置必须至少这么远，甚至可能更远。 （我们将在星系中讨论天文学家如何从光谱中的多普勒偏移中获得这样的物体的距离。） 该光谱显示了明确的证据，表明伽玛射线爆发发生在遥远的星系中。
联网捕捉更多爆发
在初步观测表明可以找到伽玛射线爆发的精确位置和余辉之后，天文学家建立了一个定期捕捉和精确定位爆发的系统。 但是，为了尽快做出反应以获得有用的结果，天文学家意识到，他们需要依靠自动化系统，而不是人类观察者碰巧在正确的时间出现在正确的地点。
现在，当在轨道运行的高能望远镜发现爆发时，其粗糙位置会立即传输到位于美国宇航局戈达德太空飞行中心的伽玛射线坐标网络，在几秒钟内提醒地面观察者寻找可见光余辉。
该系统的第一个重大成功是由来自密歇根大学、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组天文学家取得的，他们设计了一种他们称之为机器人光学瞬态搜索实验（ROTSE）的自动化设备），它在 1999 年发现了非常明亮的可见光对应物。 在高峰期，爆发的亮度几乎和海王星一样明亮，尽管距离（后来由大型望远镜的光谱测量）为90亿光年。
最近，天文学家得以更进一步，使用宽视野望远镜盯着天空的很大一部分，希望伽玛射线爆发能够在正确的地点和时间发生，并被望远镜的相机记录下来。 这些宽视场望远镜对微弱的光源不敏感，但ROTSE表明，伽玛射线爆发的余辉有时可能非常明亮。
天文学家的希望在 2008 年 3 月得到了证实，当时智利发生了极其明亮的伽玛射线爆发，其光线被两个宽视野摄像系统捕获：波兰的 “Pi of the Sky” 和俄意的 TORTORA [Telescopio Ottimizzato per la Ricerca dei Transienti Ottici Rapidi（意大利语为望远镜专为研究快速光学瞬变而优化）]（图\(\PageIndex{3}\)）。 根据这些望远镜采集的数据，在大约30秒的时间里，伽玛射线爆发的光线足够明亮，如果一个人在正确的时间在正确的地方看，肉眼本可以看见。 令我们惊讶的是，后来大型望远镜的观测表明，爆发发生在距离地球80亿光年的距离！
向光束还是不向光束发光
距离这些事件的距离很远，这意味着它们必须精力充沛，才能像穿越这么远的距离一样明亮。 事实上，它们需要如此多的能量，这给伽玛射线爆发模型带来了问题：如果光源向各个方向辐射能量，那么在明亮爆发（例如1999年或2008年的事件）期间，仅在伽玛射线中释放的能量就等于整个质量产生的能量一颗类似太阳的恒星突然转化为纯辐射。
对于一个能量源来说，如此快速（突发）产生如此多的能量是一项真正的挑战。 即使产生伽玛射线爆发的恒星比太阳大得多（可能是这样），但没有已知的方法可以在几秒钟内将如此多的质量转化为辐射。 但是，有一种方法可以降低制造伽玛射线爆发的 “机制” 所需的力量。 到目前为止，我们的讨论都假设伽玛射线的源向各个方向释放的能量相同，就像白炽灯泡一样。
但是正如我们在《脉冲星》和《发现中子星》中所讨论的那样，并非宇宙中的所有辐射源都是这样。 有些会产生仅集中在一两个方向上的细辐射束。 激光笔和海洋灯塔就是地球上此类光束光源的例子（图\(\PageIndex{4}\)）。 如果发生爆发时，伽玛射线只在一两个狭窄的光束中发出，那么我们对光源亮度的估计就可以降低，而且爆发可能更容易解释。 但是，在这种情况下，光束必须指向地球，我们才能看到爆发。 反过来，这意味着我们从地球上看到的每一次爆发，可能还有许多其他爆发是我们从未探测到的，因为它们的光束指向其他方向
长时间伽玛射线爆发：爆炸的星星
在识别并跟踪了大量伽玛射线爆发之后，天文学家开始拼凑线索，说明哪种事件被认为是造成伽玛射线爆发的原因。 或者，更确切地说，是什么样的事件，因为至少有两种不同的伽玛射线爆发类型。 两者，就像不同类型的超新星一样，是以完全不同的方式产生的。
从观察角度来看，关键的区别在于爆发持续了多长时间。 天文学家现在将伽玛射线爆发分为两类：持续时间短的爆发（定义为持续时间少于2秒，但通常为不到一秒）和长时间爆发（定义为持续时间超过2秒，但通常约为一分钟）。
到目前为止，我们讨论的所有例子都涉及长时间的伽玛射线爆发。 它们构成了我们的卫星探测到的大部分伽玛射线爆发，而且它们也更亮且更容易精确定位。 现在已经对数百次长时间的伽玛射线爆发及其发生的星系的特性进行了详细研究。 人们普遍观察到长时间的伽玛射线爆发来自遥远的星系，这些星系仍在积极制造恒星。 它们通常被发现位于银河系中具有强恒星形成活动的区域（例如螺旋臂）。 回想一下，恒星越大，它在生命的每个阶段花费的时间就越少。 这表明爆发来自一颗年轻而短暂的恒星，因此是巨大的恒星。
此外，在一些情况下，当在离地球相对较近的星系中（在几十亿光年内）发生爆发时，有可能在同一位置寻找超新星，而且在几乎所有这些情况下，天文学家都发现了Ic型超新星爆炸的证据。 Ic 型是一种特殊类型的超新星，我们在本章前面部分没有讨论过；它们是由一颗被剥离外氢层的大型恒星产生的。 但是，只有一小部分Ic型超新星会产生伽玛射线爆发。
为什么一颗外层缺失的大型恒星有时会在像超新星一样爆炸的同时产生伽玛射线爆发？ 天文学家对额外能量的解释是恒星的核心崩溃形成旋转的磁性黑洞或中子星。 因为恒星尸体既有磁性又能快速旋转，所以它的突然崩溃很复杂，可以产生旋转的粒子射流和强大的辐射束，就像在类星体或活跃银河核（你将学到的关于活跃星系、类星体和超大质量黑洞的物体）中一样，但是在时间尺度要快得多。 少量流入的物质在狭窄的光束中喷射，以接近光的速度移动。 光束中粒子之间的碰撞会产生强烈的能量爆发，我们将其视为伽玛射线爆发。
几分钟之内，来自火球的不断扩大的爆炸冲入了垂死恒星附近的星际物质。 这个物质可能是在恒星演化的早期阶段从恒星本身喷射出来的。 或者，它可能是形成巨星及其邻居的气体。
随着爆炸产生的高速粒子减速，它们会以冲击波的形式将能量转移到周围的物质。 这种被震动的物质会以更长的波长发射辐射。 这解释了X射线、可见光和无线电波的余辉——随着爆炸持续失去能量，光芒的波长越来越长。
短时伽玛射线爆发：碰撞恒星尸体
那较短的伽玛射线爆发呢？ 这些事件的伽玛射线发射持续不到 2 秒，在某些情况下可能只持续几毫秒，这是非常短的时间。 如果它们以与长时间伽玛射线爆发相同的方式产生，则很难实现这样的时间尺度，因为恒星内部崩溃到黑洞至少需要几秒钟。
天文学家在寻找 BeppoSAX 和其他卫星发现的短时间伽玛射线爆发产生的余辉毫无结果。 显然，余辉消失得太快了。 像ROTSE这样的快速响应的可见光望远镜也无济于事：无论这些望远镜的响应速度有多快，在可见波长下爆发的亮度都不足以被这些小型望远镜探测到。
再一次，需要一颗新的卫星来澄清这个谜团。 在本例中，它是 Swift Gamma-Ray Burst 卫星，由美国宇航局与意大利和英国航天局合作于 2004 年发射（图\(\PageIndex{5}\)）。 Swift 的设计与 BeppoSAX 的设计类似。 但是，Swift 的敏捷性和灵活性要高得多：伽玛射线爆发发生后，X 射线和紫外线望远镜可以在几分钟（而不是几个小时）内自动重定向。 因此，天文学家可以更早地观察余辉，预计余辉会更加明亮。 此外，X射线望远镜的灵敏度要高得多，可以提供比 BeppoSAX 提供的位置精确度高30倍的位置，即使没有可见光或无线电观测也可以识别爆发
2005 年 5 月 9 日，斯威夫特探测到持续时间为 0.13 秒的伽玛射线闪光，源自 Coma Berenices 星座。 值得注意的是，处于 X 射线位置的星系看起来与任何看到长时间爆发的星系完全不同。 余辉起源于距离27亿光年的巨型椭圆星系的光环，其光谱中没有任何年轻的大型恒星的迹象。 此外，尽管进行了大量搜寻，但爆发后从未发现任何超新星。
什么能产生少于一秒钟的爆发，起源于没有恒星形成的区域？ 主要模型涉及两具紧凑型恒星尸体的合并：两颗中子星，或者可能是一颗中子星和一颗黑洞。 由于许多恒星以二进制或多系统出现，因此有可能有两个这样的恒星尸体相互绕轨道运行的系统。 根据广义相对论（将在《黑洞》和《曲面时空》中讨论），由此类物体组成的双星系统的轨道应随着时间的推移而缓慢衰减，最终（在数百万或数十亿年之后）导致两个物体在剧烈但短暂的爆炸中撞击在一起。 由于二进制轨道的衰变非常缓慢，我们预计会有更多的此类合并发生在恒星形成早已停止的旧星系中。
要了解有关两颗中子星合并以及它们如何产生持续不到一秒钟的爆发的更多信息，请查看美国宇航局的计算机模拟。
虽然不可能仅基于单个事件来确定这个模型（这次爆发可能实际上来自背景星系，只是偶然地与巨型椭圆机对齐），但此后斯威夫特又找到了几十次短持续的伽玛射线爆发，其中许多爆发也起源于恒星形成速率非常低的星系。 这使天文学家更有信心相信这个模型是正确的模型。 尽管如此，要完全确信的是，天文学家仍在寻找 “吸烟枪” 签名，用于合并两个超密度恒星残余物。
我们可以想到两个例子可以提供更直接的证据。 一种是非常特殊的爆炸，它是在合并的最后阶段从中子星上剥离的中子融合成重元素，然后由于放射性而释放热量，产生寿命短但红色的超新星，有时称为千新星。 （之所以使用这个词，是因为它比普通新星亮大约一千倍，但不像传统的超新星那样 “超级”。） 哈勃对2013年一次短时伽玛射线爆发的观测显示了这种特征的暗示性证据，但需要在未来的观测中得到证实。
第二把 “吸烟枪” 更令人兴奋：探测引力波。 正如将在《黑洞》和《曲线时空》中讨论的那样，引力波是时空结构中的涟漪，广义相对论预测引力波应该是由极其巨大和密集的物体（例如两颗中子星或相互螺旋的黑洞）的加速产生的碰撞。 最近从两个大型黑洞合并中观察到引力波的第一个例子。 如果有一天观察到引力波在时空上与伽玛射线爆发重合，这不仅会证实我们关于短伽玛射线爆发起源的理论，而且还将成为爱因斯坦广义相对论迄今为止最引人注目的演示之一。
用伽玛射线爆发探测宇宙
关于天文学家如何解释不同类型爆发起源的故事就是一个很好的例子，说明了科学过程有时与优秀的侦探工作相似。 尽管短时间伽玛射线爆发的奥秘仍在揭开，但长期伽玛射线爆发的研究重点已开始从了解爆发本身（现在已经相当成熟）转变为使用它们作为理解更广阔宇宙的工具。
长时间的伽玛射线爆发之所以有用，是因为它们的极高亮度，哪怕只是很短的时间。 事实上，长时间的伽玛射线爆发是如此明亮，以至于在相当于宇宙扩张开始几亿年后的距离上可以很容易地看到它们，理论家认为这是第一代恒星形成的时候。 一些理论预测，第一批恒星很可能很大，并在短短一百万年左右的时间内完成演化。 如果事实证明是这样，那么当恒星和星系刚开始形成时，伽玛射线爆发（预示着其中一些恒星的死亡）可能为我们提供探测宇宙的最佳方法。
到目前为止，发现的最遥远的伽玛射线爆发（2009年4月29日）起源于距离132亿光年的惊人距离——这意味着它发生在宇宙大爆炸本身仅6亿年之后。 这与哈勃太空望远镜发现的最早和最遥远的星系相当。 它还不够古老，无法期望它是由第一代恒星形成的，但是它在这段距离的出现仍然为我们提供了有关早期宇宙中恒星产生的有用信息。 天文学家继续扫描天空，寻找更遥远的事件，这些事件预示着恒星从更远的时光里死亡。
关键概念和摘要
伽玛射线爆发持续时间从几分之一秒到几分钟不等。 它们来自四面八方，现在已知它们与非常遥远的物体有关。 能量很可能是发光的，对于我们能探测到的能量来说，地球位于光束的方向上。 长时间爆发（持续超过几秒钟）来自巨大的恒星，它们的外部氢层缺失，这些氢气层会像超新星一样爆炸。 短期爆发被认为是恒星尸体（中子星或黑洞）的合并。