伽马射线暴：来自宇宙深处的神秘信息

文/张唯诚

伽马暴GRB 221009A 爆发一小时后，“雨燕”的太空望远镜观测到的X 射线余辉

2022 年10 月9 日21 时17 分，我国科学家使用专门的设备，探测到一束强烈的高能辐射脉冲扫过了太阳系。科学家们称这种高能辐射脉冲为“伽马射线暴”，简称“伽马暴”。

与此同时，一架名为“尼尔·格雷尔斯雨燕天文台”的太空望远镜也探测到了这个异常的闪光。与以往不同的是，人们发现，这个伽马暴非常明亮，亮度超过了此前发现的任何同类事件。因此，人们给它起了一个绰号叫BOAT，意为“有史以来最亮的闪光”。

伽马暴是一种波长短、穿透性强的电磁辐射，来自宇宙中最剧烈的天体爆发现象。爆炸发生后，伽马暴的亮度很快减弱了，取而代之的是在X光、可见光和无线电波等波段上仍然相对明亮的余辉。这让世界各地的科学家在短短几天的时间内通过太空和地面上的望远镜在几乎所有波段的光中看到了这次爆炸。一些通常被用作探测闪电的射电望远镜也探测到了与爆炸相关的突然扰动。

对宇宙伽马暴的探测开始于20 世纪60 年代。科学家们发现，这种来自宇宙的爆发性伽马射线辐射能量非常强。在一瞬间里，这种爆炸所释放出的能量，相当于太阳一年辐射能量的几百亿倍。不过，这种爆炸虽然强烈，但持续时间有长有短，长的叫长暴，短的叫短暴。其强度变化也很复杂，出没毫无规律可言。最为重要的是，伽马暴的亮度可达到太阳亮度的百万兆倍，即使它们发生在距离地球极为遥远的地方，人们也能探测到。

2022 年10 月9 日的那次爆炸发生几天后，科学家们将它正式命名为“GRB 221009A”。他们推测，这次爆炸可能是由一颗超大质量恒星在距地球约20 亿光年的星系中坍缩成一个黑洞引发的。天文学家们认为它释放的能量，大约相当于3 个太阳将所有质量转化为能量的总和。

短暴和长暴

伽马暴有短暴和长暴之别。大致上说，持续时间不到2 秒的伽马暴称作短暴，它们有可能是中子星在碰撞融合时产生的。中子星是一种高密度的星体，这种星体的强引力场储存了巨大的能量。在宇宙中，当两颗中子星发生碰撞时，它们会融合成黑洞。科学家认为，这个过程产生了短暴。天文学家们还指出，如果一个双恒星系统中有一颗中子星，那么两星之间的相互作用也会导致碰撞的发生，这样的碰撞也容易产生短暴。

相较短暴而言，长暴可持续2秒以上，它们很可能来自一种超大质量的恒星在消亡时发生的大爆炸。

两颗中子星发生了碰撞

超大质量恒星的质量可以超越太阳质量的20 倍，且温度极高。由于能量的剧烈释放，超大质量恒星的寿命非常短，一般只有几百万年。当它们走向死亡时，它们中的一部分会成为比一般的超新星威力更大的“超级新星”。由于重力的坍塌，它们会变成黑洞。此时，灼热的能量从星核处以光速冲出星体，爆炸波与星际间的气体、尘埃发生碰撞—伽马暴便发生了。GRB 221009A 持续的时间相对较长，属于长暴，所以它也被认为来自超大质量恒星消亡时坍缩成黑洞的剧烈过程。伽马暴发生后，通常还会产生X光、可见光和无线电波，天文学家们称之为伽马暴发生后的“余辉”。“余辉”可以被其他各种望远镜观测到，从而为人们提供更多信息。

几十年来，为了研究伽马暴，人类相继发射了一系列观测它的卫星，其中一部分取得了很好的成果。1991 年，一架名为“康普顿”的伽马射线太空望远镜发射升空，它的任务就是在伽马射线波段探测宇宙。这架望远镜在太空工作了10 年，总计探测到2700 余个伽马暴。但它并不能精确地找出伽马暴发生的位置。而且，由于伽马暴发生时间很短，当人们接收到伽马暴的信号时，这些射线已经消失了，人们很难进行跟踪观测。

一颗超大质量恒星发生了爆炸

卓越的伽马暴观察者

为了更好地观测伽马暴，2004年11 月20 日，一颗名为“雨燕”的观测卫星搭乘德尔塔火箭升入太空。“雨燕”是非常先进和灵活的伽马暴观测卫星，它可从伽马射线、X 射线、紫外线和可见光这4 个方面研究伽马暴及其余辉。“雨燕”首先利用爆发警示望远镜侦察伽马暴，然后利用X 射线望远镜和紫外线光学望远镜收集伽马暴发生点附近的信息，最后通过这些信息找出伽马暴的位置。迄今为止，“雨燕”已经发现了数百次伽马暴现象。2018年，美国宇航局将这颗名为“雨燕γ射线暴任务”的探测卫星正式更名为“尼尔·格雷尔斯雨燕天文台”。

在2022 年10 月9 日的伽马暴探测实践中，我国成功实现对伽马暴的地空多手段联合观测，并且取得了重大成果。参与这次探测的设备有昵称为“拉索”的中国高海拔宇宙线观测站、中国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”，以及空间新技术试验卫星的主要科学载荷“高能爆发探索者”（HEBS）。

“拉索”是以宇宙线观测研究为核心、由我国自主研发并设计建造的国家重大科技基础设施。它位于四川省稻城县海拔4410 米的海子山上，主体工程已于2021 年7 月完成并投入科学运行。它是目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线天文台，其运行开启了“超高能伽马天文学”的观测时代。“慧眼”是我国第一颗空间X 射线天文卫星，于2017 年6 月发射运行。在轨观测的5 年多时间里，它已于黑洞、中子星、快速射电暴等方面取得一大批重要的成果。“高能爆发探索者”于2022 年7 月发射，是我国近期发射的空间新技术试验卫星的主要科学载荷之一。

不少科学家认为，我国的观测结果打破了多项伽马暴观测纪录，对揭示伽马暴的爆发机制具有重要价值。

探索伽马暴的意义

那么，探索伽马暴有什么意义呢？伽马暴以光速在宇宙中穿行，它们被我们观测时往往已经在宇宙中旅行了上亿年，甚至100 多亿年。它们之所以经过了如此漫长的时间才到达地球，是因为这些伽马暴实际上是极早以前宇宙中剧烈事件的产物。例如，2008 年3 月19 日，人们探测到一个来自牧夫座的恒星发生的伽马暴，之后“雨燕”便收集到了爆发的数据。那次爆炸距离地球约75 亿光年，天文学家们可以从这种伽马暴隐藏的信息中，获得了解古老恒星和早期宇宙的机会。

2005 年，“雨燕”曾观测到一个更加遥远的伽马暴，它持续了约10 秒。“雨燕”发现了这个伽马暴后，迅速转动光学和X 射线望远镜，使它们指向伽马暴出现的位置。后来，“雨燕”发现这个伽马暴位于130 亿光年之外的地方。我们知道，宇宙大爆炸发生在137 亿年前。也就是说，这个伽马暴发生时，宇宙仅仅形成了5 亿至7 亿年。

在现代天文学的研究中，科学家们非常期望了解早期宇宙的信息。对人们认识宇宙的发展和演化而言，早期宇宙的信息非常难得，同时又非常关键。虽然现代的许多大型望远镜和太空望远镜可以看得很远，但来自早期宇宙恒星的光芒依然不易被它们捕捉到。而伽马暴则可以将几十亿光年甚至100 多亿光年之外的宇宙信息呈现在天文学家们的眼前，这为天文学家们研究早期的宇宙提供了绝佳的机会。例如，假若对观测伽马暴时获得的光线予以分析，人们便可得到反映伽马暴中的各种元素的光谱。它记录了恒星物质中包含的早期宇宙的大量信息。从这个意义上说，作为“有史以来最亮的闪光”，GRB 221009A 显得尤为珍贵也就不难理解了。

此外，伽马暴还是已知宇宙中最强烈的能量爆发现象。它对宇宙生命的存在和发展产生过怎样的影响？这样的影响在未来是否持续存在？在地球的历史上，伽马暴是否也影响过地球生命的演化？未来，这种强大的能量辐射是否有可能袭击地球？这些都是萦绕在人们头脑中的疑问。而这些疑问迄今仍无确切答案，所以，科学家们有关伽马暴的探索依然任重道远。

中国高海拔宇宙线观测站（昵称为“拉索”）