有史以来的最强伽马射线暴——这种天文学强爆炸，闪耀了整个宇宙

发布者：麦田晴空 2025-3-22 10:05

这是艺术家对超新星的概念理解，它可以引发伽马射线爆炸

图源：DESY，科学传播实验室

一个国际天文学家小组探测到一对比以往能量都要高的伽马暴。伽马暴是宇宙中已知的最强的爆炸，但这些最近的发现暗示着我们明显地低估了它们的真实潜力。

今天在《自然》杂志上发表的三篇新文章描述了两次新的伽马暴-GRB 190114C和GRB 180720B，它们都产生了迄今为止GRB事件中能量最高的光子。毫不掩饰地说，这些前所未有的观测正在给这些神秘的宇宙事件及其背后的机制带来新的曙光。

伽马暴被认为是在巨大的恒星坍缩成黑洞、导致超新星产生时触发的。因此而发生的爆炸产生一束强大而集中的喷流，将物质以0.9999倍光速发射到太空。喷流中急剧加速的粒子通过与磁场和辐射的复杂相互作用产生伽马射线。这些伽马射线继续在星际空间中穿行，其中一些最终到达地球。当它们与我们的大气层接触，伽马射线将引发粒子级联，进而产生一种被称为切伦科夫光的现象，切伦科夫光可以被特殊装备的望远镜探测到。

2019年2月11日和3月12日哈勃太空望远镜拍摄的GRB 190114C及其所在星系的余辉。

图片：NASA、ESA和V.Acciari等人，2019年

沃里克大学的天文学教授、其中一项新研究的合著者安德森·莱文说，天文学家已经研究伽马暴五十多年了，但现在仍然还有很多需要研究，包括伽马射线是如何形成的，以及当物质以如此极端的速度从黑洞中被抛掷出去时所涉及的物理问题。这次新探测到的拥有空前能量的伽马暴，肯定有很大的帮助。

莱文在给吉斯摩多的一封邮件中写道：“这些新的观测推动了我们可以观测到伽马射线的能量范围，并揭示了一种我们以前从未见过的辐射的新成分。这是一种让望远镜探测到这种光的技术的极好的演示。最重要的是，它们提供了一种在自然界最极端条件下理解物理学的新方法。”

事实上，如果没有一些非常先进的技术，我们不可能有这些发现。新发表的论文上所描述的伽马暴能量是通过观察它们对我们大气层的效应来测量的。当伽马射线进入我们的天空时，它们将大量粒子推向天空，产生一种空气簇射。这些簇射以相对论的速度移动，产生一种可探测到的蓝色的光，叫做切伦科夫光，足够合适的话，它可以被切伦科夫望远镜探测到。

概念图显示了探测切伦科夫光的特殊装备的望远镜，切伦科夫光是由入射的伽马射线产生的，是可探测到的蓝光。

图片：DESY，科学传播实验室

在这种情况下，这些望远镜是在纳米比亚的高能立体系统（HESS）和在加那利群岛的主要大气伽马成像切伦科夫（MAGIC），它们都由马克斯·普朗克研究所操作。卫星以前曾被用来观测切伦科夫光，但它们的仪器对于探测超高能量的事件不够敏感，因为它们产生的光很弱。

第一个高能事件GRB 180720B发生于2018年7月20日，被发表在一篇由天文学家们撰写的文章里，这些天文学家来自于马克斯·普朗克研究所、德国电子同步加速器（DESY）、国际射电天文学研究中心（ICRAR），以及一些其它组织。第二个事件GRB 190114C，发生在2019年2月14日，它被发表在两篇文章中，这两篇文章都由来自马克斯·普朗克物理研究所的拉兹米克·米尔佐扬领导。来自世界各地的300多位科学家参与到这项研究中。

莱文解释说：“关于这些特殊的爆炸最值得注意的不在于它们总共释放了多少能量，而在于我们从光的各个部分看到了多少能量。我们可以认为光是由称为光子的小粒子组成的，每个光子都携带一份能量。我们通常用一个电子伏特作为单位来量度能量，也就是一个单电子通过1伏特电压时所获得的能量。”

莱文说道：“环绕在我们周围的我们肉眼可见的光子一般具有1个电子伏特的能量，但通过MAGIC测量，来自GRB 190114C的光子所具有的能量能够高达1太电子伏特，这是我们肉眼看到的能量的1万亿倍。从这个角度看，2013年的创纪录GRB测量值为940亿电子伏特，即0.094太电子伏特。”

他说：“这有点像站在你旁边的人是比尔·盖茨，而你的名字上只有10美分。毋庸置疑，如果一个光子拥有如此大的能量，它便可以做不同的事情，就像如果你有1000亿美元而不是10美分的时候，你将过上完全不同的生活。所以这些高能的光确实为我们提供了了解宇宙的新窗口。”由MAGIC收集的数据显示来自GRB 190114C的能量处于2000亿到10000亿电子伏特之间，也就是0.2到1个太电子伏特之间。这是目前探测到的最强的伽马暴。

支持观测站的观测结果表明，GRB距离地球约40亿光年。根据赫斯的测量，早期的事件GRB 180720B稍微弱一点，记录的能量在1000亿到4400亿电子伏之间，或0.1到0.44太电子伏特，估计距离地球60亿光年。

概念图显示MAGIC天文台扫描天空中的伽马射线。

图片：Superbossa.com和C.里吉。

莱文说：“这些观察结果最让我惊讶的是，经过十多年的努力，我们终于看到了如此高的能量发射。除了这两个事件以外，在去年夏天另一个伽马暴也被记录到了，关于它的具体细节尚未公布。”莱文告诉吉斯摩多：“这意味着这种发射可能在伽马暴中很常见，而不是非常罕见。在这种情况下，我们不得不等这么长时间以使其达到刚好找到这种异常高能的光的条件，这实际上是令人惊讶的。”

这些新的文章，除了专注于新的伽马暴之外，还对高能光子作出了解释，这些光子被认为是在一个称为逆康普顿散射的双交叉的过程中产生的。最初，急剧加速的粒子在爆炸本身的强磁场周围反弹，导致同步辐射（是的，与同步加速器和地球上其他粒子加速器产生的辐射相同，但这就是比较的终点）。然后，在第二阶段，同步加速光器子猛撞在产生它们的快粒子上，将它们的能量提高到地球大气所记录到的极值。

图表显示伽马暴是如何由黑洞形成的。

图源：美国宇航局戈达德航天飞行中心

伽玛暴几乎每天都被卫星记录下来，但从宇宙学的角度来看，它们实际上非常罕见，谢天谢地。为了解释这些事物的力量，“一个典型的爆发会释放出与太阳在整个100亿年生命周期中的能量一样多的能量”，天文学家吉玛安德森在一份新闻稿中解释道。吉玛·安德森是国际射电天文学研究中心科廷大学节点的一项研究的合著者。如果伽马射线爆发发生在我们附近的任何地方，并直接聚焦在地球上，它有可能引发大灭绝。

正如莱文向吉斯摩多解释的那样，这样的事件实际上可能已经发生在地球的远古时期了。

莱文说：“我们可以在地质记录中看到一个大灭绝事件——奥陶纪灭绝，这与我们预期的伽马射线爆发相吻合，如果一个事件曾经离地球足够近以至于可以影响到我们现在，我们将有一些似是而非的影响。”

莱文说，首先，伽马射线会破坏臭氧层，使大量的紫外线到达地表。相比之下，由于大气中关键分子的破坏和氮氧化物的存在，可见光可能会被阻挡，从而阻挡阳光，引发冰河时代。这种大气效应的双重打击将会很糟糕。