伽馬射線暴（英語：Gamma Ray Burst，縮寫GRB），簡稱伽馬暴，是來自天空中某一方向的伽馬射線強度在短時間內突然增強，隨後又迅速減弱的現象，持續時間在0.01-1,000秒，輻射主要集中在0.1-100 MeV的能段。伽馬暴發現於1967年，數十年來，人們對其本質了解得還不很清楚，但基本可以確定是發生在宇宙學尺度上的恆星級天體中的爆發過程。伽馬暴是目前天文學中最活躍的研究領域之一，曾在1997年和1999年兩度被美國《科學》雜誌評為年度十大科技進展之列。
伽馬射線暴的研究歷史
發現及早期研究
1960年代，美國發射的船帆座衛星裝有監測伽馬射線的儀器，用於在簽署《部分禁止核試驗條約》後，監視蘇聯核試時產生的大量伽馬射線。1967年，這顆人造衛星發現來自宇宙的伽馬射線突然增強，隨即又快速減弱，這種現象是隨機發生的，大約每天發生一到兩次，強度可以超過全天伽馬射線的總和，而且來源不在地球，而是宇宙空間。由於保密原因，關於伽馬射線暴的首批觀測資料直到1973年才被公開。[1]
由於伽馬暴的持續時間非常短暫，而且方向不好確定，起初對伽馬暴的研究進展十分緩慢，連距離這樣的基本物理量都難以測定。1980年代，基於Ginga衛星的觀測結果，許多人相信伽馬射線暴是發生在銀河系中的一種現象，成因與中子星有關，並圍繞中子星建立起數百個模型。1980年代中期，美籍波蘭裔天文學家玻丹·帕琴斯基提出，伽馬射線暴發生在銀河系外，是位於宇宙學距離上的遙遠天體，然而這種觀點並沒有得到普遍認可。
宇宙學起源的證實
1991年美國發射了康普頓伽馬射線天文台（CGRO），這顆衛星的八個角上安裝了八台同樣的儀器BATSE，能夠定出伽馬射線暴的方向，精度大約為幾度。幾年時間裡，對3,000餘個伽馬暴的系統巡天發現，伽馬射線暴在天空中的分布是各向同性的，支持了伽馬射線暴是發生在遙遠的宇宙學尺度上的觀點，並且引發了帕琴斯基與另一位持相反觀點的科學家拉姆的大辯論。
如果伽馬射線暴確實位於宇宙學尺度上，那麼由它的亮度可以推斷，伽馬暴必定具有非常巨大的能量，在幾秒時間裡釋放出的能量就相當於幾百個太陽一生中所釋放出的能量總和，是人們已知的宇宙中最猛烈的爆發。
餘輝的發現
1996年，義大利和荷蘭合作發射了BeppoSAX衛星，這顆人造衛星能夠準確地測定伽馬射線暴的方位，定位精度約為50角秒，這就為地面上的望遠鏡在伽馬暴未消逝之前尋找其光學對應體提供了強而有力的支持。在它的幫助下，天文學家率先發現在1997年2月28日爆發的一個伽馬暴的X射線對應體，稱為伽馬暴的「X射線餘輝」。後來伽馬暴的可見光波段、無線電波段餘輝陸續被觀測到。餘輝的發現使人們能夠在伽馬暴發生後數月甚至數年的時間裡對其持續觀測，大大推動了伽馬暴的研究。
雨燕時代
BeppoSAX號衛星一直運作至2002年，和CGRO（與BATSE）在2000年脫離軌道。但是，伽馬射線暴研究的革命激勵開發一些專門設計的附加工具來探索伽馬射線暴的性質，尤其是在緊隨爆炸以後的最早時刻。其中至今最成功的太空飛行任務，雨燕衛星，在2004年被發射，截至2014年仍處於運行狀態。2004年11月20日，美國國家航空暨太空總署發射了用於探測伽馬暴的雨燕衛星，它最大的特點是反應迅速，能夠對轉瞬即逝的伽馬暴進行快速的響應。
費米時代
2008年6月，費米衛星成功發射，它搭載了伽馬射線爆發監控儀器（Gamma-Ray Burst Monitor，縮寫為GBM），可以每年數百次爆發的速度探測，其中有一些是有極高的能量足夠亮到可以用費米大面積望遠鏡（Large Area Telescope，縮寫為LAT）進行觀察。
伽馬射線的觀測特徵
時標和能譜
伽馬射線的持續時間一般在0.01秒到1,000秒左右，以2秒為界，大致可以分為長暴（long burst）和短暴（short burst）兩類，典型的持續時間分別為30.0秒和0.3秒。時變的輪廓比較複雜，往往具有多峰的結構。長暴的能譜較硬，短暴的能譜較軟。
餘輝
伽馬射線暴爆發過後會在其它波段觀測到輻射，稱為伽馬射線暴的餘輝。根據波段不同可分為X射線餘輝、光學餘輝、無線電餘輝等。餘輝通常是隨時間而指數式衰減的，X射線餘輝能夠持續幾個星期，光學餘輝和無線電餘輝能夠持續幾個月到一年。
在天球上的分布
伽馬射線暴在天空中的分布是各向同性的，但遠距離的伽馬射線暴明顯少於近距離的，顯示出非均勻各向同性，可以被膨脹宇宙學模型所支持，表明伽馬射線暴是發生在宇宙學距離上的。
伽馬暴的成因
長暴
1998年發現伽馬暴GRB 980425與一個超新星SN Ib/Ic 1998bw 相關聯。這是一個重要的發現，暗示伽馬暴的成因可能是大質量恆星的死亡。2002年，一個英國的研究小組研究了由XMM-牛頓衛星對2001年12月的一次伽馬暴的長達270秒的X射線餘輝的觀測資料，發現了伽馬暴與超新星有關的證據，發表在2002年的《自然》雜誌上。進一步的研究揭示，普通的超新星爆發有可能在幾周到幾個月之內導致伽馬射線暴。目前大質量恆星的死亡會產生伽馬暴這一觀點已經得到普遍認同。
短暴
短暴產生於兩個緻密天體如中子星或黑洞的併合。GW170817/GRB 170817A的發現證實了這一模型。
伽馬暴研究展望
參見
參考文獻
- ↑ Klebesadel, R.W., Strong, I.B., Olson, R.A., 1973, Astrophysical Journal, 182, L85.
