1967 年 7 月，在冷戰最激烈的時候，為尋找蘇聯核武器試驗而發射的美國衛星發現了完全出乎意料的事情。Vela 3 和 4 衛星觀測到高能光子或伽馬射線的短暫閃光，它們似乎來自太空。後來，在1973 年的一篇論文中，彙編了十多個這樣的神秘事件，天文學家将它們稱為伽馬射線暴。“從那時起，我們一直在試圖了解這些爆炸事件，說：”安德魯·泰勒，在德國電子同步加速器（DESY）在漢堡的實體學家。
在最初的發現之後，天文學家們就這些伽馬輻射爆發的來源展開了争論——這是為它們提供動力的關鍵線索。有些人認為這種明亮的光源一定就在我們的太陽系附近。其他人争辯說他們在我們的銀河系中，還有其他人則在宇宙之外。理論比比皆是；資料沒有。
然後在 1997 年，一顆名為 BeppoSAX 的意大利和荷蘭衛星證明了伽馬射線爆發是河外的，在某些情況下起源于數十億光年之外。
這一發現令人費解。為了解釋這些天體的亮度——即使是從如此遠的距離觀察它們——天文學家意識到導緻它們的事件必須幾乎是難以想象的強大。“我們認為你不可能從宇宙中任何物體的爆炸中獲得如此多的能量，”DESY 天體實體學家 Sylvia Zhu 說。
當一顆恒星坍縮和爆炸時，伽馬射線爆發将釋放出與超新星相同的能量，但需要幾秒鐘或幾分鐘而不是幾周。它們的峰值光度可以是我們太陽的 1000 億倍，甚至比最亮的超新星還要高 10 億倍。
原來他們離得這麼遠也算是幸運了。“如果我們的銀河系中發生伽馬射線爆發，噴流指向我們，你能希望的最好事情就是快速滅絕，”朱說。“你會希望輻射沖破臭氧層并立即将所有東西炸死。因為最糟糕的情況是，如果距離更遠，它可能會導緻大氣中的一些氮和氧轉化為二氧化亞氮。氣氛會變成褐色。這将是一個緩慢的死亡。”
伽馬射線爆發有兩種形式，長的和短的。前者可持續長達幾分鐘左右，被認為是由品質超過太陽品質 20 倍的恒星坍縮成黑洞并以超新星形式爆炸的結果。後者僅持續約 1 秒，是由兩顆中子星合并（或者可能是一顆中子星與一個黑洞合并）引起的，這一點在 2017年引力波天文台探測到中子星合并和 NASA 的費米時得到證明伽馬射線太空望遠鏡捕捉到了相關的伽馬射線爆發。
在每種情況下，伽馬射線爆發都不是來自爆炸本身。相反，它來自以比光速低幾分之一的速度從爆炸中向相反方向發射的噴流。（為噴射機提供動力的确切機制仍然是一個“非常基本的問題，”朱說。）
英國萊斯特大學的天文學家Nial Tanvir說：“正是高能量下的速度和聚焦成射流的結合使它們非常發光。” “這意味着我們可以在很遠的地方看到它們。” 平均而言，人們認為可見宇宙中每天都會發生一次可觀測的伽馬射線暴。
直到最近，研究伽馬射線爆發的唯一方法是從太空觀察它們，因為地球的臭氧層阻止伽馬射線到達地表。但是當伽馬射線進入我們的大氣層時，它們會撞到其他粒子。這些粒子被推動的速度比空氣中的光速還快，這導緻它們發出藍色光，稱為切倫科夫輻射。然後科學家可以掃描這些藍色的光爆發。
由于我們的大氣層具有比單個望遠鏡大得多的收集區域，是以這種搜尋政策使天體實體學家有更大的機會找到能量最高的伽馬射線爆發，而這種爆發是罕見且難以發現的。
2018 年 7 月，那密比亞的一組天線陣列首次觀測到這種超高能爆發，該天線陣列稱為高能立體系統 (HESS)。輻射不是來自最初的伽馬射線暴本身，而是來自一種稱為餘輝的效應。在這種情況下，伽馬射線爆發的噴射流與恒星變成超新星時抛出的物質相撞。碰撞将粒子加速到高速，産生電磁輻射，然後到達地球。
現在，在本月早些時候發表在《科學》雜志上的一篇論文中，泰勒、朱及其同僚觀察到了伽馬射線爆發中最長的高能餘輝，使用 HESS 研究了 GRB 190829A——距離相對較近的 10 億光-years — 56 小時。他們發現，更高能量的持續時間比 2018 年的結果長五倍多。“這基本上是一個突破性的結果，”德國馬克斯普朗克核實體研究所的實體學家布賴恩·雷維爾（Brian Reville）說，他不是該研究的作者. “在[爆炸]後三晚内探測到極高能量的伽馬射線光子确實是一件很重要的事情。” 這一發現對我們相當簡單的模型提出了質疑伽馬射線暴是如何産生的，這表明可能有更複雜的實體學在起作用。“如果這突然出現問号，那真的很令人興奮，”雷維爾說。
伽馬射線爆發及其餘輝也可以在我們對宇宙的了解中發揮重要作用。超新星和中子星合并被認為會産生宇宙的重元素，如金和鉑。由于爆發為這些事件後的殘骸提供了一個視窗，科學家可以使用它們來跟蹤宇宙的化學成分是如何随宇宙時間變化的。
切倫科夫望遠鏡陣列等未來儀器将于 2023 年上線，可以更詳細地研究這些神秘的爆炸。“下一步 [step] 是在很長的時間尺度上探測伽馬射線暴，”泰勒說。“[發射]如何随時間變化告訴我們正在發生的實體學。”
科學家們也希望澄清在伽馬射線爆發中心産生的物體是黑洞還是中子星。“有可能從下一代引力波探測器中發現這一點，”朱說。
在他們意外發現半個世紀後，我們現在開始以前所未有的方式研究這些事件。“我們學得很快，”泰勒說，“而且我們在過去 20 年裡學到的東西并沒有顯示出任何讓我們感到驚訝的證據。”
作者：Jonathan O'Callaghan
FY：11
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