伽馬射線暴（Gamma-ray Burst, GRB）是天體物理學中一種短暫而強烈的高能輻射現(xiàn)象，其特點是由天空中某一特定方向發(fā)出大量伽馬射線，持續(xù)時間從0.1秒至1000秒不等。這些伽馬射線主要分布在0.1至100 MeV的能段內。GRB的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1967年，當時美國通過間諜衛(wèi)星監(jiān)測核試驗時意外觀測到這一現(xiàn)象。自發(fā)現(xiàn)以來，伽馬射線暴已成為天文學領域最為活躍的研究主題之一，并多次被《科學》雜志評為年度十大科技進展之一。

在初始的伽馬射線閃光之后，通常會伴隨著更長時間尺度上的“余輝”現(xiàn)象，這些余輝覆蓋了從X射線、紫外線、可見光、紅外線直至微波和無線電波段的寬頻帶。

伽馬射線暴（GRBs）是宇宙中能量極高的爆炸事件，其發(fā)生源位于數(shù)十億光年之外的星系。這些事件雖罕見，但在幾秒內釋放的能量可超過太陽在其百億年壽命中累積的能量。盡管歷史上觀測到的GRBs均來自銀河系外，但存在一種類似現(xiàn)象——軟伽馬射線重復爆發(fā)源，它源自銀河系內的磁星。

1967年，帆船號衛(wèi)星首次探測到GRBs，隨后科學家提出多種理論解釋，如彗星或中子星碰撞等。由于缺乏觀測數(shù)據(jù)，這些模型未獲公認。直到1997年，天文學家同時探測到GRBs及其伴隨的X光和可見光余輝，通過光譜學分析可見光紅移，推算出爆發(fā)距離和總能量。結合對星系和超新星的研究，科學家準確測量了GRBs的距離和光度，證實其確實源于遙遠星系。

伽馬射線，一種高能電磁波，源自距離地球數(shù)十億光年的遙遠星系。這些射線的產生可能與星系的大爆炸事件密切相關，其持續(xù)時間從幾毫秒至幾分鐘不等。在爆炸末期，伽ma射線釋放的能量極其巨大，甚至超過太陽在其整個生命周期中釋放的能量總和。這種強烈的能量釋放通常與超新星爆炸相關聯(lián)，即大質量恒星在爆炸過程中形成中子星或黑洞時產生的。

迄今為止，所有檢測到的伽ma射線暴均發(fā)生在銀河系之外，這對地球生命而言是一個幸運的事實。因為如果這類爆炸事件在銀河系內發(fā)生，其釋放的電磁能量足以滅絕地球上的所有生命。然而，目前科學界尚未完全理解伽ma射線暴的具體產生機制，也未能將其與特定的超新星爆炸事件直接關聯(lián)起來。

伽馬射線暴（GRBs）的光變曲線表現(xiàn)出顯著的多樣性和復雜性，每個爆發(fā)事件的光變模式都是獨特的。這些事件的時間尺度跨度從幾毫秒到數(shù)十分鐘不等。光變曲線可呈現(xiàn)單一峰值或由多個子脈沖構成，其中脈沖形態(tài)既有對稱的，也有快速上升后緩慢下降的非對稱型。部分GRBs在主爆發(fā)前會有預兆性的弱爆發(fā)活動，即先發(fā)生一個較弱的事件，之后經歷數(shù)秒至數(shù)分鐘的靜默期，隨后才出現(xiàn)強烈的伽馬射線爆發(fā)。此外，一些GRBs的光變曲線極為復雜，難以識別出明顯的規(guī)律性特征。

盡管科學家能夠利用簡化的模型推導出類似的光變曲線，但在理解其復雜多變性方面進展有限。這些簡化模型只能大致再現(xiàn)一些光變曲線的特征，無法完全解釋觀測到的各種現(xiàn)象。目前提出的分類方案大多基于光變曲線外觀上的差異，可能未能準確反映爆炸祖先的實際物理差異。然而，伽馬射線暴的觀測數(shù)據(jù)顯示出一個明顯的雙峰分布，表明存在兩個獨立的群體：短時暴和長時暴。短時暴的平均持續(xù)時間約為0.3秒，而長時暴的平均持續(xù)時間約為30秒。這兩個群體之間存在一個廣泛的重疊區(qū)域，使得僅憑持續(xù)時間難以明確事件的身份。此外，還有基于觀測和理論提出的其他類別，以進一步細化對伽馬射線暴的理解。

伽馬射線暴主要分為兩類：長伽馬射線暴和短伽馬射線暴。其中，長伽馬射線暴的持續(xù)時間超過2秒，因其較長的持續(xù)時間和強烈的余輝效應，使得科學家能夠進行更為詳細的觀測與分析。相較于短暫的爆發(fā)類型，長伽馬射線暴提供了更多信息，幫助科學家們對其有了更深入的理解。絕大多數(shù)經過詳細研究的案例顯示，這種長時間的爆發(fā)通常來源于那些正處于快速恒星形成階段的星系，有時甚至可以直接關聯(lián)到大質量恒星的死亡過程，如核坍縮超新星。此外，通過對高紅移長伽馬射線暴的后續(xù)余輝進行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這些事件同樣發(fā)生在活躍的恒星誕生區(qū)內。

短伽馬射線暴是一種持續(xù)時間不足兩秒的天文事件，占伽馬射線暴總數(shù)的約30%。直到2005年之前，科學家對這些事件的余輝探測一直未能成功，導致對其起源了解有限。自那以后，通過精確定位和探測，已經記錄到數(shù)十次短伽馬射線暴的余輝現(xiàn)象。這些觀測結果表明，某些短伽馬射線暴與恒星形成較少或沒有新恒星形成的星系相關聯(lián)，例如大型橢圓星系。這一發(fā)現(xiàn)排除了短伽馬射線暴與大質量恒星死亡過程的聯(lián)系，進一步證實了它們在物理性質上與長伽馬射線暴的不同。此外，研究也未發(fā)現(xiàn)短伽馬射線暴與超新星爆炸之間的關聯(lián)。

科學家最初提出的一種可能解釋是，短伽馬射線暴可能是由兩顆中子星相互碰撞，或者一顆中子星與黑洞相撞所產生的。這類極端天體事件可能導致所謂的“千新星”現(xiàn)象。在GRB 130603B事件期間，天文學家確實觀測到了與此類理論相符的千新星現(xiàn)象。根據(jù)狹義相對論，信息無法超越光速傳播，因此短伽馬射線暴的短暫性暗示了爆發(fā)源天體的尺寸非常小。具體來說，一個0.2秒的爆發(fā)時間意味著其直徑不會超過0.2光秒（大約6萬公里，即地球直徑的四倍）。當中子星在兩秒內落入黑洞并發(fā)出伽馬射線后，圍繞黑洞公轉的其余物質會在接下來的數(shù)分鐘至數(shù)小時內逐漸落入黑洞，同時發(fā)出X射線。這一過程為天文學家所觀測到的X射線余輝提供了合理的解釋。

部分短伽馬射線暴或許源自鄰近星系軟伽馬射線重復爆發(fā)源的大規(guī)模耀斑現(xiàn)象。

2017 年，引力波事件 GW170817 被科學家成功探測到，僅 1.7 秒后，短伽馬射線暴 GRB 170817A 亦隨之被觀測到。經深入研究分析證實，該事件發(fā)生于兩顆中子星碰撞所產生的千新星過程之中。

超長伽馬射線暴（Ultra-Long Gamma-Ray Bursts, ULGRBs）是一類特殊的天體現(xiàn)象，其特征為持續(xù)時間遠超傳統(tǒng)伽馬射線暴，達到數(shù)小時之久。這類事件可能源于極端的宇宙過程，如藍色超巨星的核心坍縮、潮汐力導致的天體撕裂或新生磁星的形成。盡管已識別出的ULGRB事件數(shù)量有限，但它們主要通過長時間伽馬射線發(fā)射來定義。

在眾多研究中，GRB 101225A和GRB 111209A這兩個案例受到了廣泛關注。這些事件的低觀測率可能并非真實反映了宇宙中此類事件的發(fā)生頻率，而是受限于現(xiàn)有探測技術對于長時間事件的檢測能力不足。此外，2013年的一項研究指出，當前關于是否存在一個獨立于已知類別之外的新類型前體的超長伽馬射線暴群體的證據(jù)尚不充分，強調了需要通過多波段觀測來進一步驗證這一假設的重要性。

ULGRBs作為天文物理學中的一個重要研究方向，不僅挑戰(zhàn)著我們對宇宙極端條件下物理過程的理解，也促使科學家們不斷優(yōu)化觀測技術和理論模型，以期揭示更多隱藏在宇宙深處的秘密。

在1997年12月14日，一次伽馬射線暴在距離地球120億光年的遙遠位置發(fā)生。其釋放的能量極其巨大，遠超超新星爆發(fā)數(shù)百倍。在短短50秒內，該伽馬射線暴所釋放的伽馬射線能量相當于銀河系200年的總輻射能量。在一兩秒的時間內，該伽馬射線暴的亮度與除它以外的整個宇宙相當。此外，在其周圍數(shù)百千米的范圍內，出現(xiàn)了類似宇宙大爆炸后千分之一秒時的高溫高密環(huán)境。

1999年1月23日，另一次更加猛烈的伽馬射線暴發(fā)生，其釋放出的能量是1997年那次的10倍。

到了2004年，美國宇航局的研究揭示，地球曾遭受來自50萬光年遠的中子星“SGR1806-20”發(fā)出的強烈伽馬射線脈沖束的影響。這一能量巨大的事件不僅照亮了地球大氣層，而且其亮度超越了滿月，甚至超過了之前觀測到的任何太陽系外天體。該現(xiàn)象發(fā)生在2004年12月27日，當時中子星的磁場重新排列，釋放出了一次異常的能量爆發(fā)。這次事件導致大量人造衛(wèi)星出現(xiàn)故障，并使地球頂端大氣層發(fā)生了電離化。

2009年4月23日，天文學家觀測到距離地球131億光年的伽馬射線暴，這是人類迄今為止觀測到的最遙遠天體。該事件源于宇宙起源后不到7億年的強烈爆炸。進一步的研究顯示，這類黑暗伽馬射線暴在宇宙早期階段所有伽馬射線暴中僅占0.2%至0.7%，表明在宇宙起源的早期并沒有頻繁發(fā)生恒星形成現(xiàn)象。

伽馬射線暴

2013年，科學家們捕獲了能量達950億電子伏特的高能光子，其于2013年4月27日抵達地球。這些光子源自距離我們38億光年的GRB130427A伽馬射線暴。此伽馬射線暴的余暉持續(xù)時間較長，直至2013年9月仍可被監(jiān)測到，顯示出其源頭是一顆質量在20至30個太陽質量之間的高速旋轉巨型恒星的爆炸。這顆恒星最終在引力作用下坍縮至半徑僅為太陽半徑的3至4倍。此類現(xiàn)象典型地出現(xiàn)在大質量“沃爾夫-拉葉星”（WR星）上。

2016年6月，美國國家航空航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡觀測到了名為“GRB 160625B”的伽馬射線暴。在此之前，研究人員記錄下一道短暫的閃光，這提供了獨特的機會目睹并記錄了隨后更為劇烈的爆炸過程。據(jù)英國巴斯大學的卡羅爾·蒙代爾教授表示，盡管伽馬射線暴通常瞬息即逝，但在這次事件中，科學家們提前捕捉到了持續(xù)約一秒的閃光，使得主要射線暴在大約100秒后發(fā)生時，他們已做好充分準備進行觀測。此次射線暴的持續(xù)時間異常長，達到幾分鐘，這是極為罕見的現(xiàn)象。盡管該射線暴源自遙遠的宇宙深處，但其亮度極高，引起了廣泛關注。超快機器人望遠鏡成功捕獲了事件初期的光線，這一成就令所有參與者感到興奮不已。

2022年10月16日，中國科學院高能物理研究所（中科院高能所）宣布，其負責建設和運行的三大科學裝置——中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）、“高能爆發(fā)探索者”（HEBS）和“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT），通過天地聯(lián)合探測系統(tǒng)，首次捕捉到了迄今人類觀測到最亮的伽馬射線暴（GRB），編號為GRB 221009A。該事件打破了多項關于伽馬射線暴光子能量及亮度的記錄。

隨后的研究指出，天文學家在對兩個短伽瑪射線暴中的振蕩信號進行分析后認為，這些信號可能是由兩顆中子星（大質量恒星死亡后形成的致密核心）合并形成大質量中子星的過程產生的。這一發(fā)現(xiàn)為進一步研究此類極端宇宙現(xiàn)象提供了新的線索。

特別是對于編號為GRB 221009A的伽馬射線暴，“慧眼”衛(wèi)星與“極目”空間望遠鏡共同精確測量了該伽馬射線暴的亮度，比之前觀察到的任何一次伽馬暴都要亮出50倍。此次研究成果不僅刷新了人類對宇宙中極端爆炸現(xiàn)象的理解，也標志著我國在高能天體物理領域取得了重要進展。

中國科學院高能物理研究所的科研人員利用位于四川稻城高海拔宇宙線觀測站，完成了對一次伽馬射線暴的全程監(jiān)測。這一事件標志著人類首次全面記錄下此類高能爆發(fā)現(xiàn)象的所有階段。該研究成果于2023年6月9日在國際學術期刊《科學》（Science）上在線發(fā)表。