伽马射线暴
天文学名词
伽玛射线暴(Gamma Ray Burst,缩写GRB),又称伽玛暴,是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,持续时间在0.1~1000秒,辐射主要集中在0.1~100MeV的能段。伽玛暴发现于1967年,数十年来,人们对其本质了解得还不很清楚,但基本可以确定是发生在宇宙学尺度上的恒星级天体中的爆发过程。伽玛暴是天文学中最活跃的研究领域之一,曾在1997年和1999年两度被美国《科学》杂志评为年度十大科技进展之列。
发现历史
伽马射线暴相关重要事件与研究梳理:
早期发现与初步公布
20世纪60年代,冷战背景下美国发射了船帆座(Vela)系列军事卫星,搭载伽马射线监测仪器,用于监视苏联和中国的核试验。1967年,该卫星在监测过程中,被克莱贝萨德尔(Klebesadel)等人无意中发现了来自宇宙空间的特殊现象——伽马射线突然增强,随即又快速减弱,这种现象随机发生,大约每天1~2次,强度可超过全天伽马射线总和。由于军事保密原因,这一发现的首批观测资料直到1973年才正式发表,且很快得到了苏联Konus卫星的证实。人们将这种宇宙空间的伽马射线短暂剧烈增强现象命名为“伽马射线暴”。
研究初期的争议与探索
伽马射线暴持续时间极短、方向难以确定,早期研究进展缓慢,连距离等基本物理量都无法测定。1980年,基于Ginga卫星的观测结果,多数研究者认为伽马射线暴是发生在银河系内的现象,成因与中子星相关,并围绕中子星建立了数百个模型。
20世纪80年代中期,美籍波兰裔天文学家玻丹·帕琴斯基提出相反观点,认为伽马射线暴发生在银河系外,属于宇宙学距离上的遥远天体,但这一观点在当时未获得普遍认可。
观测技术突破与研究深化
1991年,美国发射康普顿伽马射线天文台(CGRO),卫星八个角搭载的八台BASTE仪器,将伽马射线暴的定位精度提升至几度。此后几年内,该卫星完成了对3000余个伽马暴的系统巡天,发现伽马射线暴在天空中的分布呈各向同性,这一结果有力支持了“伽马射线暴位于宇宙学尺度”的观点,并引发了帕钦斯基与持相反观点的科学家拉姆的激烈辩论。若伽马射线暴确实处于宇宙学尺度,其能量将极为巨大,几秒内释放的能量可相当于几百个太阳一生释放能量的总和,是当时已知的宇宙中最猛烈的爆发。
1996年,意大利和荷兰合作发射BeppoSAX卫星,其定位精度达到50角秒,能准确测定伽马射线暴的方位,为地面望远镜寻找其光学对应体提供了关键支持。1997年2月28日,天文学家借助该卫星首次发现伽马射线暴的光学对应体——“光学余辉”,后续又陆续发现射电波段、X射线波段等多种余辉,并证认出伽马暴的宿主星系。通过观测宿主星系红移,证实伽马暴远在银河系以外,属于宇宙学距离上的天体。余辉的发现让人们能在伽马暴发生后数月甚至数年持续观测,极大推动了相关研究。
1997年12月14日,发生一次极具代表性的伽马射线暴,距地球120亿光年。爆发后一两秒内亮度与除它以外的整个宇宙相当,50秒内释放的能量相当于银河系200年的总辐射能量,比超新星爆发还要猛烈几百倍,其附近几百千米范围内再现了宇宙大爆炸后千分之一秒的高温高密情形。
1999年1月23日,发生一次更猛烈的伽马射线暴,释放的能量是1997年12月14日那次的十倍,是当时人类已知的最强大伽马射线暴。
重要观测事件与研究进展
2004年12月27日,地球遭遇一次来自磁星(中子星的一种)的高能伽马射线暴轰击,爆发天体编号为SGR 1806-20,位于银河系另一端,距地球5万光年。此次爆发在小于一秒的瞬间释放的能量相当于太阳50万年内发出的总能量,威力强大到地球上肉眼可见。这类天体通常辐射集中在低能伽马射线波段,此次爆发源于其磁场重置。
2009年4月23日,天文学家观测到迄今最遥远的伽马射线暴,距地球131亿光年,也是当时人类观测到的最遥远天体。该伽马射线暴发生于宇宙起源后不到7亿年,研究评估显示,这类黑暗伽马射线暴在宇宙早期阶段所有伽马射线暴中仅占0.2%到0.7%,说明宇宙起源早期恒星形成现象并不频繁。
2013年4月27日,多国观测设备(美国雨燕太空望远镜、费米伽马射线太空望远镜及其他地面望远镜)观测到伽马射线暴GRB 130427A,多项指标打破纪录:是当时观测到的最亮伽马射线暴,用双筒望远镜即可在地球上看到;单个光子能量最高(950亿电子伏),相当于典型太阳光的300亿倍;余晖高能辐射持续20小时,是当时持续时间最长的一次,同时也是迄今观测到的总能量释放最大的伽马射线暴之一。后续光谱观测发现,该伽马射线暴发生在距地球约36亿光年处,距离仅为典型伽马射线暴的三分之一,由一颗质量为太阳20-30倍、体积仅为太阳3-4倍的致密大质量恒星爆炸引发。
截至2015年,人类已观测到2000多个伽马射线暴。
2022年10月9日21点17分,中国高海拔宇宙线观测站(LHAASO,拉索)、高能爆发探索者(HEBS)和慧眼卫星(Insight-HXMT)同时探测到迄今最亮的伽马射线暴,编号为GRB 221009A。
2024年6月22日15时00分,中国在西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功发射中法天文卫星。该卫星是中法联合研制的空间科学卫星,具备全球最强的伽马暴多波段综合观测能力,将对伽马暴研究等空间天文领域的科学发现发挥重要作用。6月24日,卫星搭载的伽马射线监测器开机并开展在轨测试;6月27日,监测器成功捕捉到首个伽马射线暴,这是中法天文卫星的首个在轨科学探测成果。经比对,该伽马射线暴的光变曲线与中国创新X首发星、国外费米卫星的观测结果一致。
2011年,一个研究小组在日本古老雪松中发现异常的放射性碳(碳14),同时在南极冰盖上发现放射性铍(铍10)。这些同位素由强烈辐射冲击上层大气原子产生,表明地球曾遭受过来自太空的能量爆发。结合树木年轮和冰盖数据,确定该事件发生于公元774-775年。
2012年,研究人员进一步提出,公元774-775年的地球辐射冲击事件源于银河系内的伽马射线暴,能量来自3000至12000光年处,可能是两个黑洞或两颗中子星合并的结果。此项研究负责人、德国耶拿大学天体物理学协会教授拉尔夫·纽豪瑟(Ralph Neuhauser)指出,伽马射线爆发是极具爆发力的活动,此次事件发生在银河系范围内。
2013年12月28日消息,澳大利亚科廷大学的天文学家发现一类新的爆发恒星:这类恒星在转变为黑洞前会停止对外发射无线电波辐射,最终以一次强烈的伽马射线暴释放能量后消亡。此前天文学家普遍认为伽马射线暴后会伴随无线电波余晖,澳大利亚悉尼大学和科廷大学全天天体物理学中心(CAASTRO)的研究团队通过叠加200余张图像合成高精度伽马射线暴图像,未发现无线电波段辐射余晖的迹象。研究团队在《天体物理学报》中提出,可能存在两种不同类型的伽马射线暴,成因或与爆发恒星的磁场特性差异有关。
伽马射线暴相关机制与模拟研究
关于伽马射线暴的形成原因,目前尚未有定论,主流猜想包括两个黑洞或中子星碰撞、大质量恒星死亡坍缩形成黑洞的过程。但科学家普遍认可,巨大宇宙能量产生时(如超新星爆发、类星体喷流、黑洞或中子星碰撞合并过程)会伴随伽马射线暴产生。
此前有观点认为,部分“黑暗伽马射线暴”无法在视觉波长范围内观测是因其距离过远。最新研究揭示,实际原因是星际尘埃吸收了几乎全部可见光,而能量更高的伽马射线和X射线可穿透尘埃被望远镜捕捉。目前,“大质量恒星死亡会产生伽马暴”的观点已获普遍认同:超大质量恒星耗尽核燃料后,核心坍缩为黑洞,物质喷流以接近光速向外冲出,与恒星先前照耀的气体相互作用,形成随时间衰减的明亮余辉,多数伽马射线会在可见光范围内呈现明亮光线;而黑暗伽马射线暴的可见光被星际尘埃(可能是恒星孕育诞生地)吸收,因此无法被光学望远镜探测。
伽马射线与闪电形成的关联研究也取得进展。伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波,辐射能量高于X射线,其短期内突然增强即形成射线暴,能量释放堪比宇宙大爆炸。20世纪90年代早期,康普顿伽马射线天文台已从地面雷电中发现伽马射线。2008年前,佛罗里达技术协会的天体物理学家约瑟夫·德怀尔提出猜想:雷中释放的伽马射线可能是闪电形成的主要原因。他建立的高能量辐射模型显示,电场中伽马射线释放的高速电子与大气层微粒碰撞,可产生强大雷鸣声并释放电荷;雷雨天气中,上升与下降气流推动水分子相互作用,使电场强度增大,最终释放的电子以接近光速穿越空气。
2012年,日本东京理工大学与日本物理和化学研究所联合研究团队,通过派遣伽马射线研究分队到日本海低空观测雷电中的伽马射线,完成了最接近伽马射线形成闪电的模拟实验。此外,有研究认为伽马射线暴曾引发4.4亿年前的奥陶纪末期生物大灭绝,以及产生蟹状星云的“天关客星”超新星爆发伴随的伽马射线暴,足以引起其发生同时(公元1054-1056年)的全球变冷事件。
观测特征
伽马射线暴(GRB)是宇宙中极具爆发力的高能辐射现象,其观测特征具体有以下几个方面:
爆发强度与能量释放
1. 瞬时强度极高:爆发时伽马射线强度可在短时间内突然增强,峰值强度能超过全天伽马射线总和,部分极端案例(如GRB 221009A、GRB 130427A)亮度极高,在地球上用双筒望远镜即可观测到。
2. 能量释放巨大:属于宇宙中已知最猛烈的爆发之一,短时间内释放能量规模惊人。例如1997年12月14日的伽马射线暴,50秒内释放的能量相当于银河系200年的总辐射能量,比超新星爆发猛烈几百倍;2004年12月27日来自磁星SGR 1806-20的爆发,小于1秒内释放的能量相当于太阳50万年内的总辐射能量;GRB 130427A的单个光子能量最高达950亿电子伏,是典型太阳光的300亿倍。
持续时间与时间分布
1. 爆发持续时间差异大:多数爆发持续时间较短,多为几秒级别,如1997年12月14日的爆发持续一两秒;也存在极端长时案例,如GRB 130427A的余晖高能辐射持续长达20小时。
2. 发生频率稳定:随机发生于宇宙空间,观测显示大约每天可观测到1~2次。
空间分布特征
1. 各向同性分布:康普顿伽马射线天文台对3000余个伽马射线暴的系统巡天发现,其在天空中的分布呈现各向同性,无明显聚集区域,这一特征支持其源于遥远宇宙学尺度的观点。
2. 分布范围广泛:既存在于银河系内(如2004年爆发的磁星SGR 1806-20,距地球5万光年),更多位于银河系外的宇宙学距离上,已知最遥远的伽马射线暴距地球达131亿光年,诞生于宇宙起源后不到7亿年。
余辉特征
1. 多波段余辉存在:多数伽马射线暴爆发后会产生持续衰减的余辉,覆盖多个电磁波段,包括光学波段、射电波段、X射线波段等,余辉的存在让人类可在爆发后数月甚至数年持续观测。
2. 特殊无余辉案例:存在少数无无线电波段余晖的伽马射线暴,这类特殊案例表明可能存在两种不同类型的伽马射线暴,成因或与爆发恒星的磁场特性差异相关。
3. 黑暗伽马射线暴:部分伽马射线暴在光学望远镜中无法探测到(被称为“黑暗伽马射线暴”),核心原因是星际尘埃吸收了几乎全部可见光,而非距离过远;能量更高的伽马射线和X射线可穿透尘埃被观测到。
爆发关联天体特征
1. 宿主星系明确:多数伽马射线暴可证认出对应的宿主星系,通过观测宿主星系红移可确定其宇宙学距离。
2. 关联致密天体/大质量恒星:部分爆发与中子星(尤其是磁星)相关,磁星磁场重置时会引发强烈伽马射线暴;多数爆发被认为与大质量恒星(质量为太阳20-30倍的致密恒星)死亡坍缩形成黑洞的过程相关,也有猜想与两个黑洞或两颗中子星合并有关。
成因影响
成因
关于伽马射线暴的成因,存在两类主要猜想,其中“大质量恒星死亡催生伽马射线暴”的观点已得到普遍认同,且有明确观测证据支撑:
1. 核心猜想:一是两个致密天体(如中子星或黑洞)合并产生;二是大质量恒星演化为黑洞的过程中产生,这一观点是目前公认的主流成因。
2. 关键证据:1998年发现伽马暴GRB 980425与超新星SN Ib/Ic 1998bw相关联,首次暗示伽马暴成因可能与大质量恒星死亡相关;2002年,英国研究小组通过分析XMM-牛顿卫星对2001年12月伽马暴长达270秒的X射线余辉观测资料,进一步找到伽马暴与超新星相关的证据(成果发表于《自然》杂志);后续研究还揭示,普通超新星爆发可能在几周到几个月内引发伽马射线暴。
影响
伽马射线暴的爆发与星际环境、恒星演化存在紧密关联,核心影响体现在推动恒星生死轮回的循环进程中:
1. 重塑星际物质分布:超大质量恒星爆炸(催生伽马射线暴的关键过程)会释放大量星际尘埃和新物质,这些物质快速充斥于星云之中,显著提升星云密度,为新恒星的诞生提供了物质基础。
2. 关联恒星诞生区域:由于恒星形成于星际尘埃区域,而黑暗伽马射线暴常被尘埃团包裹,可推测包裹黑暗伽马射线暴的尘埃团可能是孕育新恒星的诞生之地,进一步印证了伽马射线暴爆发区域与恒星诞生区域的关联性。
3. 参与星系尺度的恒星轮回:在充斥星际尘埃的星系中,伽马射线暴的爆发伴随大质量恒星的死亡,而其释放的物质又孕育新恒星诞生,成为星系内大量恒星生死轮回过程中的重要环节。
4. 伽马射线暴影响地球环境:伽马射线暴不但可以快速电离地球高层大气,破坏臭氧层,而且易产生过量强放射性宇成核素(如碳-14),扰乱地球气候与生物节律。根据中国科学院高能物理研究所在西藏羊八井ASgamma实验阵列的观测,产生蟹状星云的“天关客星”超新星爆发伴随的伽马射线暴单光子能量高达450TeV, 是此前国际上已知的超新星爆发伽马射线暴单光子最高能量75TeV 的6倍,足以引起与其发生同时(公元1054-1056年)的全球变冷事件,并得到了《宋史》等记载的极寒灾害印证:至和元年(1054年)正月,京师大雪,贫弱之民冻死者甚众;嘉祐元年(1056年)正月,大雨雪折宫架……壬午,大雨雪,泥途尽冰。都民寒饿,死者甚众。
分类体系
目前伽马射线暴的分类体系以观测特征为核心依据,主流分为经典类型与特殊类型,其中经典分类已形成广泛共识,特殊类型为近年观测发现的新型现象:
1. 经典分类(按持续时间划分):这是最核心的分类标准,以爆发持续时间2秒为界,分为短暴和长暴两类。持续时间小于2秒的为短暴,大于2秒的为长暴;两类爆发的持续时间范围整体覆盖几毫秒到几千秒,涵盖绝大多数观测到的伽马射线暴事件。
2. 经典类型的成因与特征关联:长暴的成因与大质量恒星演化相关,通常是超大质量恒星耗尽核燃料后,核心坍缩为黑洞或中子星,伴随接近光速的物质喷流向外冲出而产生,常与超新星爆发相伴生;短暴的成因则指向致密天体并合,多为两颗中子星碰撞所致,碰撞过程会形成新的黑洞或中子星,同样产生高速喷流,还可能伴随引力波事件(如著名的GW170817事件)。
3. 特殊类型(近年观测发现):随着观测技术的进步,发现了超出经典分类范畴的特殊伽马射线暴。例如2025年Fermi卫星探测到的GRB 250702DBE事件,其持续时间长达数小时,远超经典伽马射线暴的时标,且在不同爆发阶段检测到准周期震荡信号;这类长时标高能爆发的天体起源尚未明确,推测可能与中等质量黑洞潮汐瓦解事件相关,其性质与典型伽马射线暴存在显著差异,是当前研究的热点方向。
理论模型
伽马射线暴的理论模型旨在解释这种宇宙中最剧烈的高能爆发现象的物理起源、能量供给及辐射过程。其核心框架是相对论性火球激波模型,该模型认为观测到的辐射源自一个以接近光速膨胀的喷流,其动能通过激波转化为辐射能的过程。根据该模型,伽马暴的完整物理图景始于一个强大的中央引擎,终于喷流与星际介质的相互作用产生多波段余辉。
火球激波模型
火球激波模型是解释伽马射线暴及其余辉的主流理论框架。该模型认为,来自中央引擎的巨大能量在极短时间内注入一个狭小的区域,形成一个由高能光子、电子、正电子和少量重子组成的“火球”。这个火球因光学厚度极大而无法直接辐射,其内部的热压导致它以极端相对论速度(洛伦兹因子可达数百以上)向外膨胀。
在膨胀过程中,火球物质的动能通过激波耗散机制转化为辐射能:
瞬时辐射:通常由火球内部不同速度的壳层碰撞产生的内部激波来解释,其产生的非热辐射形成了复杂多变的伽马射线光变曲线。
余辉辐射:当高速运动的火球与周围星际介质相互作用时,会产生外部激波。激波持续加速电子并使其在磁场中产生同步辐射等,从而在X射线、光学、射电等波段产生随时间衰减的余辉。余辉的发现是证实伽马射线暴宇宙学起源和验证火球模型的关键。
中央引擎模型
中央引擎是驱动整个爆发的初始能源。它被认为是伽马暴一切能量的源头,其主要候选体是基于不同前身星物理过程形成的两类致密天体:
黑洞-吸积盘系统:无论前身星是大质量恒星坍缩还是双致密星并合,其最终都可能形成一个新生的黑洞,其周围环绕着一个快速旋转、炽热的吸积盘。黑洞与吸积盘的引力能和旋转能可以通过布兰德福德-日纳杰机制(BZ机制,提取黑洞旋转能)和布兰德福德-佩恩机制(BP机制,提取吸积盘磁能)被高效提取,从而驱动极端相对论性喷流。
快速旋转的磁星:在某些条件下,核心坍缩或并合可能产生一颗具有超强磁场(约10^14高斯)和极快自转(周期为毫秒级)的中子星,即磁星。其巨大的磁偶极辐射能和自转能可以为喷流提供持续的能量注入。
余辉与喷流动力学模型
余辉是火球与外部介质相互作用的结果。中国科学家在此领域贡献显著,南京大学戴子高教授团队提出了从极端相对论到非相对论的统一动力学模型,可以完整描述火球膨胀减速的全过程,并解释余辉光变曲线上的拐折现象。
研究还发现,某些余辉的复杂光变可能源于:
中央引擎的持续能量注入:例如,由磁星提供的持续磁偶极辐射可以重新加速喷流,产生余辉平台的“再增亮”现象。
喷流的特殊几何结构:喷流可能具有中心亮、外围暗的结构化特征,或者其喷流轴可能发生进动,导致观测到的亮度随视角变化而复杂演化。
物理机制
喷流的形成与磁驱动机制
主流理论认为,喷流主要由黑洞或中子星(磁星)的旋转能量通过大尺度磁场提取并加速产生。具体机制包括:布兰德福德-日纳杰机制——提取快速旋转的克尔黑洞的转动能;布兰德福德-佩恩机制——提取围绕黑洞的吸积盘的磁能。这两种机制可能共存,共同驱动一个分层或双成分的喷流结构,即一个由BZ机制驱动的内层高速喷流和一个由BP机制驱动的外层稍慢喷流。
近年观测表明,喷流并非简单的均匀“火球”。例如,对GRB 250702B的研究提出了“进动磁喷流引擎模型”:一个略微倾斜的黑洞吸积盘像陀螺般进动,其产生的磁化喷流随之摆动。当喷流最明亮的核心周期性地扫过地球视线时,就观测到了规律的“心跳”式脉冲。同时,喷流本身常具有“中心亮、外围暗”的结构化特征,这显著影响其辐射的能量估计和观测表现。
瞬时辐射的主要机制
余辉辐射的物理过程
高速喷流猛烈撞击周围介质,产生向前的外部激波,持续不断地将动能转移给介质粒子,并产生向后的激波减速喷流物质自身。这一减速过程决定了余辉光变曲线的整体演化趋势。
在外部激波中,粒子通过费米加速等机制被加速至高能。这些高能电子在激波压缩的磁场中做回旋运动,主要产生同步辐射,覆盖了从射电、光学到X射线的广阔波段。对于极高能(如TeV,万亿电子伏特)余辉,其产生可能涉及逆康普顿散射(电子将同步辐射光子散射到更高能量)等过程。高能余辉的观测是探测喷流物理的关键。例如,通过对GRB 221009A的观测,科学家首次精确测量了高能余辉的完整光变曲线,并根据其亮度陡降的时间点,计算出该喷流的张角极小,仅约0.8度,这解释了它为何成为“史上最亮”伽马暴——地球恰好正对这支极窄喷流的核心。
宇宙学意义
伽马射线暴是宇宙中能量极高、时间极短的电磁辐射爆发事件,因其极端的亮度和宽广的观测红移分布,已成为现代宇宙学研究的重要探针。
探测高红移宇宙
伽马射线暴的极高亮度使其能够在极远距离上被观测到,目前被观测到的来自130亿年前的伽马暴GRB 250314A,红移高达7.3,来自宇宙诞生仅7.3亿年时的极早期。据科学家分析,它可能源自宇宙最早期恒星塌缩形成黑洞或中子星,其光线在宇宙中传播了约130亿年才被中法天文卫星捕获。这一发现打破了保持近12年的国际纪录。这些来自宇宙诞生后数亿年内的爆发事件,为直接探测宇宙早期的恒星形成活动、星系际介质状态和第一代恒星的性质提供了独特的信息来源,因此高红移伽马暴光谱的分析是揭示早期宇宙物理环境的关键手段之一。
约束宇宙学参数
部分伽马射线暴的光度与能量等观测参数之间存在统计关系,例如伽马射线暴的各向同性等效峰值光度与谱峰值能量在共动坐标系中呈显著幂律相关,且该关系在高红移段(z = 1.6-5.0)仍保持稳健。借助这一定标,可将伽马暴作为“标准烛光”独立测定宇宙几何距离,其有效测距范围远超Ia型超新星,恰好弥补传统超新星在高红移区(z≥1.6)样本稀缺的不足。这为精确测定哈勃常数、物质密度参数以及约束暗能量状态方程提供了新的、与超新星完全独立的观测约束。
示踪宇宙物质分布
伽马射线暴余辉光束在宇宙学距离上近似背景点光源,其高信噪比光谱能分辨出z≈2-6区间内密集的莱曼-α森林以及C IV、Si IV、Mg II等多重金属吸收线系统。通过测量这些吸收线的等值宽度、柱密度和覆盖因子,可逐段重建从宿主星系到地球之间星系际介质的金属丰度、密度和电离状态,实现对宇宙重子物质三维分布的断层扫描,并追踪其从宇宙再电离时代到近现代的演化历史。伽马射线暴可探测到远高于类星体数密度的红移,且一次事件即可覆盖数十到百h-1 Mpc的视线尺度,可为构建宇宙大尺度结构形成与化学增丰模型提供独立而关键的观测输入。
最新研究进展
伽马射线暴的研究在过去十年进入多信使时代,观测能力与理论认识均取得跨越式发展。
2022年
2022年10月9日21时17分,中国高海拔宇宙线观测站(LHAASO,拉索)、高能爆发探索者(HEBS)和慧眼卫星(Insight-HXMT)同时探测到迄今最亮的伽马射线暴,编号为GRB 221009A。这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测,并独家实现了从最高的十几太电子伏光子到兆电子伏伽马射线和千电子伏X-射线的多谱段精细测量,跨越9个量级。
2023年
2023年3月29日凌晨2点,中国科学院高能物理研究所与全球40余家科研机构联合发布了对迄今最亮伽马射线暴GRB 221009A的研究成果。中国的“慧眼”卫星与“极目”空间望远镜联合,精确探测到了这个千年一遇的伽马射线暴,并取得重要科研成果。6月9日,中国科学院高能物理研究所宣布,该所科研人员通过位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站对宇宙中一次伽马射线暴进行了完整监测,这是人类首次完整记录到这一高能爆发现象的全过程,相关研究成果在国际学术期刊《科学》(Science)在线发表。
2024年
2024年6月22日15时00分,中国在西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功发射中法天文卫星。该卫星是中法两国联合论证研制的空间科学卫星,是迄今为止全球对伽马暴开展多波段综合观测能力最强的卫星。6月27日,中法天文卫星成功捕捉到了首个伽马射线暴,这是中法天文卫星的首个在轨科学探测成果。
2024年7月,中国科学院高能物理研究所牵头的科研团队,通过分析极目空间望远镜和费米卫星的联合观测数据,在伽马暴中发现能量高达37兆电子伏特的伽马射线谱线,且谱线的能量和光度均以幂律形式演化,这是迄今观测到的宇宙天体产生的能量最高、证据最确凿的谱线。这些发现为破解伽马暴及相对论性喷流产生之谜提供了全新的重要线索,是伽马暴观测研究的里程碑。7月25日,相关研究成果以封面论文形式在《中国科学:物理学 力学 天文学》(英文版)期刊正式发表。
2025年
2025年7月2日,美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜捕捉到一次名为GRB 250702B的宇宙射线暴,其持续时间之长、现象之特殊,令天文学界为之震惊。此次伽马射线暴不仅打破了近半个世纪观测记录,成为持续时间最长的伽马射线暴,更在近一天内出现三次独立脉冲,重复发生的现象极为罕见。
探测实施与计划
空间探测任务
中法天文卫星(SVOM):中法两国联合研制的空间多波段变源监视器,是当前全球对伽马暴开展多波段综合观测能力最强的卫星系统之一。它于2024年6月发射,在轨测试期间已探测到超过100例伽马暴,并取得了突破性成果。例如,它成功捕捉到来自130亿年前(红移7.3)的伽马暴GRB250314A,刷新了长暴的最远观测纪录;同时探测到红移达2.681的短暴GRB 241105A,刷新了短暴的最远纪录。这些发现为研究宇宙极早期的恒星形成与黑洞诞生提供了独一无二的视角。
天关卫星(爱因斯坦探针,EP):由中国科学院主导的国际合作项目,于2024年1月发射。其核心科学目标之一是系统巡天探测快速河外暂现源,包括伽马射线暴及其变体。卫星搭载的宽视场X射线望远镜“万星瞳”(WXT)视场极广,能敏锐捕捉软X射线波段的早期爆发信号。例如,它探测到了特殊的伽马暴EP240315a,其X射线辐射比伽马射线提前了超过六分钟,这一反常现象对现有理论模型提出了新挑战。
中国空间站POLAR-2项目:作为我国“天宫二号”POLAR实验的继任者,POLAR-2是中欧联合研制的高精度伽马暴偏振探测设备,计划于2028年前后安装于中国空间站。该设备旨在对伽马暴的软X射线至伽马射线辐射进行偏振、定位、时变和能谱的高精度测量,以深入研究伽马暴喷流的辐射机制、结构特征及磁场构型等关键科学问题。
协同观测网络与地面响应
星地联合观测:快速的地面后随观测对于获取伽马暴的光学光谱、测量其红移(即距离)、研究其宿主星系及爆发环境至关重要。例如,SVOM卫星通过星地联合观测,已成功为22例伽马暴获取了光谱红移;“天关”卫星发现的EP240315a,也在爆发后1.1小时由南非的ATLAS望远镜探测到其光学对应体,并最终由夏威夷和智利的大型望远镜确认了其高红移属性。
CXPD立方星:由广西大学等单位牵头研制,已成功发射多颗。这些卫星搭载国产星载智能计算机,能在锁定伽马暴目标时,快速触发星间智能网络,自主调度邻近卫星进行协同观测,构建联合探测矩阵,并在轨完成目标分类与初步分析,实现了从“事后分析”到“实时智能感知与决策”的跨越。
天格计划:由清华大学与天仪研究院发起,是一个由多所高校学生团队参与、通过发射数十颗立方星组建空间分布式探测网的项目,专门用于探测短伽马射线暴。该项目旨在构建一个低轨监测网络,其载荷已成功探测到包括超新星坍缩伽马暴在内的多个目标。
最新修订时间:2026-01-06 13:49
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