宇宙中闪耀的倩影 -- 伽玛暴 | 引力波天文学之二
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这是知社引力波天文学系列第二篇。随着众望所归的引力波物理诺奖的颁发，高频引力波研究正大刀阔斧地开创着引力波天文学的新天地。大家都说引力波天文学时代已经开始，传说中的引力波新信号也是除了LVC之外人尽皆知的公开秘密。人人都想赶上这新时代，但是引力波天文学的新天地里，又会有怎样的绚丽风景呢？知社特约国内相关领域一线年轻学者撰写了几个特别迷人的景点介绍，合成引力波天文学之系列刊发，以飨读者。
特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。
宇宙中闪耀的倩影 -- 伽玛暴
曹映怡（河北师范大学）
张彬彬（南京大学）
引言：在当前风云变幻的国际局势中，北朝鲜近日多次的核爆试验牵动着全球民众的神经。然而纵观历史，大家可曾想到五十年前的一场国际核装备竞赛，竟无心插柳地导致了一项重要的天文学发现，促成了一个全新的研究领域的诞生？时至今日，这一发现仍然闪亮着其光彩，并与当前的宇宙明星——引力波——翩翩共舞。
随着天文科普逐渐深入大众的生活，人们对诸如“引力波”、“黑洞”、“超新星”、“暗物质暗能量”等专业名词，以及“LIGO”“FAST”、“卡西尼号”等望远镜和空间探测器都不再陌生。但有一项天文学前沿的研究对象，公众却知之甚少。她是可观测宇宙中电磁学波段能量最高的爆发现象。她在10秒内爆发出的能量比太阳一生所释放的能量还要多。她如此高能，却难以捕捉；她如此神秘，又令人痴迷。这浩瀚无垠的宇宙中闪耀的倩影，正是——伽玛射线暴 Gamma-ray Bursts（以下简称伽玛暴或GRB）。
你可能会提出疑问了，为什么关于伽玛暴的科普文章如此之少（几乎没有）呢？当然，并不是天文工作者偷懒了，这是伽玛射线暴的客观条件和历史原因决定的：
一、发现得晚
二、难以观测捕捉
三、目前还没有一个完美的理论模型
一、发现得晚
伽玛射线暴，顾名思义就是宇宙中γ波段的流量急剧暴增，又急剧衰减的天文学现象。在天文仪器探测到γ射线爆发之前，天文学家就已经知道超新星爆炸，宇宙线和星际气体的相互作用，以及高能粒子在磁场中的相互作用等一些极端的天体物理过程会产生γ射线。但由于地球大气对高能波段电磁波的吸收作用，只有把探测器放到气球或卫星上并送到外太空才能探测到这些γ射线。1961年，通过探索者二号（Explorer II）卫星携带的第一台伽玛射线望远镜，人们才第一次探测到外太空的γ光子。随后人们又探测到了来自太阳耀斑、银河系和宇宙空间的γ射线。直到1967年，人类历史上才第一次观测到伽玛射线暴——这要归功于1967年美国的军事卫星Vela（Vela A&Vela B）。熟悉历史的话不难发现1967年正处于美苏冷战期间，也是美苏展开“太空竞赛”的时期。当时美国建造并发射了Vela系列卫星用来监测苏联核试验的副产品——来自地面的伽玛射线辐射，却在7月2日意外地发现了排除了核武器起源，来自太空的γ射线“闪耀”。当时这一事件由于军事原因并没有向大众公开。1973年，Klebesadel等天文学家将Vela卫星的观测结果以快讯的形式发表在著名的天体物理学杂志（The Astrophysical Journal）上，这才正式拉开了伽玛射线暴研究的序幕。很快第二年苏联Konus卫星也证认了这些数据。
Vela卫星：观天者
Credit: Courtesy of HEASARC, at NASA/GSFC.
二、难以观测捕捉
天文学是一门观测科学，γ射线天文学也不例外。γ射线是电磁波谱中波长最短（波长小于0.01纳米），能量最高的电磁波，属于高能天文学的范畴。要探测伽玛射线等高能射线，都只能在地球大气层之外探测。而且伽玛暴持续时间非常短，长暴在2秒到1000秒甚至万秒 [10]，短暴则短在2秒以下甚至毫秒，这对仪器的灵敏度和响应时间都有很高的要求。要在如此短的时间内精准确定暴的真实方位、距离和真实能量对仪器非常有挑战性。早期的伽玛射线观测同在X射线波段的观测一样，简单地探测来自天体源的光子数目，没有空间分辨能力。因此，没有足够的定位精度和足够详尽的观测数据，导致伽玛暴的研究一度陷入停滞和错误的认识中。
这时候，就急需更强大的观天利器登场了。
伽玛暴领域开展伊始，NASA（美国宇航局）就看到了高能天体物理领域中伽玛暴的研究前景。1977年，NASA宣布了要建造观测伽玛暴的“大天文台（GreatObservatory）”。1991年，康普顿伽玛射线天文台（CGRO）成功上天，其中携载的BATSE是一台非常灵敏的γ射线探测器。第二年BATSE就发现了伽玛暴在宇宙空间中分布是各向同性的。
CGRO 天文台，图片来源 http://cossc.gsfc.nasa.gov/
1996年4月底，由意大利和荷兰共同研发的更具精确定位功能的BeppoSax卫星上天。在这台卫星的帮助下，天文学家首次发现了伽玛暴的余辉（Afterglow; 伽玛暴在爆发之后流量急剧下降，并在多个波段长时标辐射的现象），并利用X射线波段余辉找到了伽玛暴的光学对应体，利用光学波段余辉的光谱确定了伽玛暴的宇宙学红移。伽玛暴的研究由此迎来了新黎明的曙光。
21世纪以来，探测伽玛暴的天文卫星在其时间和空间分辨率、仪器的灵敏度和能量响应又步入了更高的级别：
高能瞬态探测器2号（High Energy Transient Explorer 2, HETE-2）由麻省理工学院（MIT）研发建造，于2000年10月发射。
图片来源：http://space.mit.edu/HETE/
国际伽玛射线天体物理实验室（INTEGRAL），这个国际项目由欧洲航空局（ESA）主导，捷克、波兰、美国和俄罗斯也加入该计划，该卫星于2002年10月发射。
图片来源：sci.esa.int/integral
NASA的雨燕（Swift）卫星，于2004年11月发射。该卫星的首要任务是尽可能快地探测并定位伽玛暴，自动报告暴的位置，并利用自带的多波段望远镜在X射线、紫外和光学波段对该位置进行观测。
NASA Swift“雨燕”卫星, 图片来源: http://www.nasa.gov
费米伽玛射线太空望远镜（Fermi,原名GLAST），2008年上天，与Swift卫星联合观测伽玛暴。费米伽玛射线的覆盖能段（8keV-100 GeV）是当前最宽的。
NASA Fermi “ 费米”卫星 , 图片来源: http://www.nasa.gov
HETE-2 | 2000年10月- 2007年3月 |
INTEGRAL | 2002 年10月-至今 |
Swift | 2004年11月 -至今 |
Fermi (GLAST) | 2008年6月-至今 |
21世纪的γ射线天文卫星
https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/satellites/gamma_missions.html）
值得一提的是，随着中国整体科技实力的增强，对伽玛暴的观测设备研制也发展得蒸蒸日上，并逐渐在国际上占有了一席之地。这包括了已经在太空运行的“天极”伽玛暴偏振探测仪(POLAR，昵称“小蜜蜂”)和硬X射线调制望远镜卫星（HXMT，昵称“慧眼”），以及在未来几年内即将发射升空的中法SVOM卫星和中国自主开发的爱因斯坦探针（Einstein Probe）卫星。这些设备将为伽玛暴的研究带来新的更早、更深、更广能段的数据，开拓伽玛暴研究的新篇章。
POLAR由上图:偏振探测器(OBOX）和右下:电控箱（IBOX）两个单机组成。
图片来源：http://polar.ihep.ac.cn/cn/
中国自主研发的硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星
图片来源：http://www.ihep.cas.cn/
中法天文卫星SVOM
https://www.chinaspaceflight.com/satellite/Space-Science/SVOM/SVOM.html
爱因斯坦探针卫星
总之，正是这些融入了无数专家学者心血的天文卫星，推动了伽玛暴研究的蓬勃发展，为我们揭晓了一个又一个的谜团，使得伽玛射线暴成为目前天文学中最活跃的前沿领域之一。
三、至今仍没有一个完美的理论模型
观测上，伽玛暴一旦位于探测器的视场(FOV)内并具备一定γ波段辐射强度，其信号就会产生一个触发（trigger）事件，伽玛暴的数据会以电磁波的形式，通过通讯卫星通道迅速传给地球的接收终端，随后天文卫星上的以及地面的望远镜也会对该暴进行多波段的观测，大量的伽玛暴的数据随之涌现，现在每天Swift和Fermi卫星平均每天都能勘测到一个伽玛暴，读者可以在这里：GCN（The Gamma-ray Coordinaties Network）找到最新GRB的探测事件：https://gcn.gsfc.nasa.gov/。
GCN（The Gamma-ray Coordinaties Network）
但是，究竟GRB是什么，其真正的爆发机制是如何形成的？暴的喷流和余辉究竟在为我们揭示什么……自1973年开始，超过上百种理论模型都曾试图更好地解释GRB，然而GRB神秘莫测的倩影依旧是天文学家心头的难解之谜，这种种谜团鞭策着他们孜孜不倦地探其真理。
GRB160625B γ射线波段的光变曲线：完美诠释了 GRB γ波段辐射的组成部分：前兆辐射（precursor）, 主瞬时辐射（main prompt emission）和延展辐射（extended emission）. (图片来源 Zhang, B.-B. et al 2017, Nature Astronomy)
经历了1973年至1991年这段GRB的“暗淡时期”后，一大谜团已解开：GRB来自宇宙学距离，而非起源于银河系。
20世纪末最后10年，可以说是GRB的“黎明时期”，除了解开GRB真实距离的谜团外，天文学家通过天文卫星找到了暴的余辉和宿主星系，并由此开展了大量的研究和分析；天文学家Kouveliotou提出了暴的分类，即长暴和短暴。（随后的统计和观测研究表明 [14]，物理上，长暴的确与大质量恒星的死亡有关，而短暴则可能来源于两颗致密星（例如中子星）的合并。更关键的是在这一时期，关于伽玛暴的标准火球模型，以及同步辐射为主的辐射机制图像也初步形成，并获得领域内的广泛共识 [20-33]。
伽玛暴的标准模型（图片来源：NASA / GSFC）
21世纪，迎来了GRB观测的“黄金时期”。特别是在费米（Fermi）和雨燕（Swift）卫星大量的观测数据的基础上，关于GRB模型构建和对各种暴的分析的论文越来越多，伽玛暴的“前世”即前身星的模型已基本敲定：
1. 大质量恒星坍缩模型
大质量恒星坍缩模型; Credit：NASA
2. 双致密性星（如中子星、黑洞）的合并模型
双中子星合并的数值模拟
Credit：NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla
对于大质量恒星坍缩模型，天文学家们已经在超新星与伽玛暴成协方面获得了大量的观测证据。而对于后者，我们正在期待当前如火如荼的LIGO引力波观测能够发现决定性的证据--由致密天体并合所产生的引力波。正如本文引言所述，短伽玛暴与引力波正如宇宙中弈弈翩翩的一对舞者，其联合观测不但可以验证伽玛暴本身的物理模型，还对伽玛暴的起源，物理性质，距离，光度函数等给出关键限制[18,19]。
当伽玛暴遇见引力波，会是什么样的亮丽风景？ 不妨期待引力波天文学之三，莫非真的是中子星？近期会在知社刊登，敬请关注。
最后，笔者在此由衷致敬国内伽玛暴研究的奠基人和先驱——陆埮院士。
陆埮(1932.2.23-2014.12.3)：将毕生精力献给了祖国的科技事业。主持研制多项国家科研项目，丰富和发展了高能天体物理，特别是伽玛射线暴和致密星物理理论，引领和推动了我国高能天体物理、伽玛射线暴和致密星物理理论等学科的快速发展，造就和培育了大批杰出人才，为我国科技事业发展做出了重大贡献。
作者简介
曹映怡，河北师范大学空间科学与天文学系在读本科生。河北师范大学2015级天文协会会长。指导老师：邵琅，张彬彬。
张彬彬，2017年获得国家青年千人计划资助并加入南京大学伽玛暴研究团队。2011年美国内华达大学取得理学博士学位，2011年至2017年在美国宾夕法尼亚州立大学、美国阿拉巴马大学、西班牙安达卢西亚天体物理研究所从事科研工作, 期间同时在NASA的科学卫星Swift和Fermi科学组中从事伽玛暴的数据分析和理论研究，目前已在Science、NatureAstronomy、 ApJ、 ApJL、 Physical Review D、MNRAS 等杂志上发表SCI论文共70余篇，总引用超过3200次。
参考文献
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_burst
[2] https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/bursts1.html
[3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_astronomy
[4] Wikepediabook for Gamma-ray Burst
[5] 范一中. 伽玛射线暴外流体的物质组分及其观测效应[D]. 中国科学院紫金山天文台，2005.
[6] 吴雪峰.伽玛暴及其余辉：喷流、环境和辐射机制[D]. 南京：南京大学天文系，2005.
[7] 范一中.博士课程讲义：伽玛射线暴的认识
[8] https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/satellites/gamma_missions.html
[9] http://cossc.gsfc.nasa.gov/
[10] sci.esa.int/integral
[11] http://www.cas.cn/zt/kjzt/yxsxtzwyj/
[12] https://gcn.gsfc.nasa.gov/
[13] Zhang, B.-B et al, “How Long does a Burst Burst?”, The Astrophysical Journal, 787, 66, 2014
[14] Zhang, B., et al. Discerning the Physical Origins of Cosmological Gamma-ray BurstsBased on Multiple Observational Criteria: The Cases of z = 6.7 GRB 080913, z =8.2 GRB 090423, and Some Short/Hard GRBs., The Astrophysical Journal, 703,1696-1724 (2009)
[15] Shao, L., Dai, Z. G. Behavior of X-Ray Dust Scattering and Implications for X-Ray Afterglows of Gamma-Ray Bursts., The Astrophysical Journal, 660,1319-1325(2007)
[16] Zhang, B.-B., et al., Transition from Fireball to Poynting-flux-dominated Outflowin Three-Episode GRB 160625B, Nature Astronomy in Press, (2017)
[17] http://www.pmo.cas.cn/mhltys/
[18] Fan, Xilong, Messenger, C., Heng, I.S., Probing intrinsic properties of short gamma-ray bursts with gravitational waves, The Physics Review Letters, arXiv:1706.05639, (2017)
[19] Xiao, Di; Liu, Liang-Duan; Dai, Zi-Gao; Wu,Xue-Feng., Afterglows and Macronovae Associated with Nearby Low-Luminosity Short-Duration Gamma-Ray Bursts, arxiv1710.00275, (2017)
[20] Dai, Z. G., Relativistic Wind Bubbles and Afterglow Signatures, The Astrophysical Journal.606,1000, (2004)
[21] Huang,Y. F., Wu, X. F., Dai, Z. G., Ma, H.T., & Lu, T., Rebrightening of XRF 030723: Further Evidence for a Two-Component Jet in a Gamma-Ray Burst,The Astrophysical Journal. 605,300,(2004)
[22] Fan, Y.-Z., The spectrum of γ-ray burst: a clue, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 403,483,(2010)
[23] Li, Z., Prompt GeV Emission from Residual Collisions in Gamma-Ray Burst Outflows: Evidence from Fermi Observations of Grb080916c, The Astrophysical Journal. 709,525,(2010)
[24] Wang, X.-Y. & M´esza´ros,P., GRB Precursors in the Fallback Collapsar Scenario,The Astrophysical Journal. 670,1247,(2007)
[25] Gou, L.-J., & M´esza´ros, P., GLAST Prospects for Swift-Era Afterglows, The Astrophysical Journal. 668,392,(2007)
[26] Liang, E. W., Dai, Z. G., & Wu, X.F., The Luminosity-Ep Relation within Gamma-Ray Bursts and the Implications for Fireball Models, The As-trophysical Journal. 606,L29,(2004)
[27] Yu, Y. W., Liu, X. W., & Dai, Z. G., Observational Signatures of High-Energy Emission during the Shallow Decay Phase of Gamma-Ray Burst X-Ray Afterglows, The Astrophysical Journal. 671,637,(2007)
[28] Wei, D. M., & Gao, W. H., Are there cosmological evolution trends on gamma-ray burst features? Monthly Notices of the Royal Astronomical Soci ety. 345,743,(2003)
[29] Wu, X. F., Dai, Z. G., Huang, Y. F., & Lu, T., Analytical Light Curves in the Realistic Model for Gamma-Ray Burst Afterglows, The Astrophysical Journal. 619,968,(2005)
[30] Lei, W. H., Wang, D. X., Gong, B. P., & Huang, C. Y., A model of the light curves of gamma-ray bursts, Astronomy and Astrophysics. 468,563,(2007)
[31] Qin, Y.-P., Zhang, Z.-B., Zhang, F.-W., & Cui, X.-H.,Characteristics of Profiles of Gamma-Ray Burst Pulses Associated with the Doppler Effect of Fireballs, The Astrophysical Journal. 617,439,(2004)
[32] Li, L.-X., Screw Instability and the Blandford-Znajek Mechanism, The Astrophysical Journal. 531,L111,(2000)
[33] Zhang, B, Meazaros, P., Gamma-Ray Bursts: progress, problems,& prospects, International Journal of Modern Physics A.19,2385, (2004)
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