只有在地球之外才能观测到的现象，且峰值光度是太阳的一千亿倍

1967 年 7 月，在冷战最激烈的时候，为寻找苏联核武器试验而发射的美国卫星发现了完全出乎意料的事情。Vela 3 和 4 卫星观测到高能光子或伽马射线的短暂闪光，它们似乎来自太空。后来，在1973 年的一篇论文中，汇编了十多个这样的神秘事件，天文学家将它们称为伽马射线暴。“从那时起，我们一直在试图了解这些爆炸事件，说：”安德鲁·泰勒，在德国电子同步加速器（DESY）在汉堡的物理学家。

在最初的发现之后，天文学家们就这些伽马辐射爆发的来源展开了争论——这是为它们提供动力的关键线索。有些人认为这种明亮的光源一定就在我们的太阳系附近。其他人争辩说他们在我们的银河系中，还有其他人则在宇宙之外。理论比比皆是；数据没有。

然后在 1997 年，一颗名为 BeppoSAX 的意大利和荷兰卫星证实了伽马射线爆发是河外的，在某些情况下起源于数十亿光年之外。

这一发现令人费解。为了解释这些天体的亮度——即使是从如此远的距离观察它们——天文学家意识到导致它们的事件必须几乎是难以想象的强大。“我们认为你不可能从宇宙中任何物体的爆炸中获得如此多的能量，”DESY 天体物理学家 Sylvia Zhu 说。

当一颗恒星坍缩和爆炸时，伽马射线爆发将释放出与超新星相同的能量，但需要几秒钟或几分钟而不是几周。它们的峰值光度可以是我们太阳的 1000 亿倍，甚至比最亮的超新星还要高 10 亿倍。

原来他们离得这么远也算是幸运了。“如果我们的银河系中发生伽马射线爆发，喷流指向我们，你能希望的最好事情就是快速灭绝，”朱说。“你会希望辐射冲破臭氧层并立即将所有东西炸死。因为最糟糕的情况是，如果距离更远，它可能会导致大气中的一些氮和氧转化为二氧化亚氮。气氛会变成褐色。这将是一个缓慢的死亡。”

伽马射线爆发有两种形式，长的和短的。前者可持续长达几分钟左右，被认为是由质量超过太阳质量 20 倍的恒星坍缩成黑洞并以超新星形式爆炸的结果。后者仅持续约 1 秒，是由两颗中子星合并（或者可能是一颗中子星与一个黑洞合并）引起的，这一点在 2017年引力波天文台探测到中子星合并和 NASA 的费米时得到证实伽马射线太空望远镜捕捉到了相关的伽马射线爆发。

在每种情况下，伽马射线爆发都不是来自爆炸本身。相反，它来自以比光速低几分之一的速度从爆炸中向相反方向发射的喷流。（为喷气式飞机提供动力的确切机制仍然是一个“非常基本的问题，”朱说。）

英国莱斯特大学的天文学家Nial Tanvir说：“正是高能量下的速度和聚焦成射流的结合使它们非常发光。” “这意味着我们可以在很远的地方看到它们。” 平均而言，人们认为可见宇宙中每天都会发生一次可观测的伽马射线暴。

直到最近，研究伽马射线爆发的唯一方法是从太空观察它们，因为地球的臭氧层阻止伽马射线到达地表。但是当伽马射线进入我们的大气层时，它们会撞到其他粒子。这些粒子被推动的速度比空气中的光速还快，这导致它们发出蓝色光，称为切伦科夫辐射。然后科学家可以扫描这些蓝色的光爆发。

由于我们的大气层具有比单个望远镜大得多的收集区域，因此这种搜索策略使天体物理学家有更大的机会找到能量最高的伽马射线爆发，而这种爆发是罕见且难以发现的。

2018 年 7 月，纳米比亚的一组天线阵列首次观测到这种超高能爆发，该天线阵列称为高能立体系统 (HESS)。辐射不是来自最初的伽马射线暴本身，而是来自一种称为余辉的效应。在这种情况下，伽马射线爆发的喷射流与恒星变成超新星时抛出的物质相撞。碰撞将粒子加速到高速，产生电磁辐射，然后到达地球。

现在，在本月早些时候发表在《科学》杂志上的一篇论文中，泰勒、朱及其同事观察到了伽马射线爆发中最长的高能余辉，使用 HESS 研究了 GRB 190829A——距离相对较近的 10 亿光-years — 56 小时。他们发现，更高能量的持续时间比 2018 年的结果长五倍多。“这基本上是一个突破性的结果，”德国马克斯普朗克核物理研究所的物理学家布赖恩·雷维尔（Brian Reville）说，他不是该研究的作者. “在[爆炸]后三晚内探测到极高能量的伽马射线光子确实是一件很重要的事情。” 这一发现对我们相当简单的模型提出了质疑伽马射线暴是如何产生的，这表明可能有更复杂的物理学在起作用。“如果这突然出现问号，那真的很令人兴奋，”雷维尔说。

伽马射线爆发及其余辉也可以在我们对宇宙的理解中发挥重要作用。超新星和中子星合并被认为会产生宇宙的重元素，如金和铂。由于爆发为这些事件后的残骸提供了一个窗口，科学家可以使用它们来跟踪宇宙的化学成分是如何随宇宙时间变化的。

切伦科夫望远镜阵列等未来仪器将于 2023 年上线，可以更详细地研究这些神秘的爆炸。“下一步 [step] 是在很长的时间尺度上探测伽马射线暴，”泰勒说。“[发射]如何随时间变化告诉我们正在发生的物理学。”

科学家们也希望澄清在伽马射线爆发中心产生的物体是黑洞还是中子星。“有可能从下一代引力波探测器中发现这一点，”朱说。

在他们意外发现半个世纪后，我们现在开始以前所未有的方式研究这些事件。“我们学得很快，”泰勒说，“而且我们在过去 20 年里学到的东西并没有显示出任何让我们感到惊讶的证据。”

作者：Jonathan O'Callaghan

FY：11

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