【天文云大会·视频】监控核试验的意外发现——伽玛射线暴

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各位朋友，各位同学，各位家长大家下午好！下面我向大家介绍的是关于伽玛射线暴的一些故事。伽玛射线暴的发现其实跟监测原子弹与核爆炸是相关的。那么大家都知道现在，东北亚最核心的问题之一，是朝核问题。我们回顾51年之前，世界上核心问题之一，就是中核问题，中国已经能够成功研制原子弹，当时美国为了监测前苏联和中国在原子弹爆炸（方面）的进展，结果发现了宇宙里面的伽玛射线暴，这是发现伽玛射线暴的一个故事。

如果我们比较一下物质的成分，物质的成分由分子和原子组成，原子的成分由原子核和原子核外面的电子组成，原子核由质子和中子组成，中子由夸克组成，当物质的化学键就是分子的化学键发生改变的时候，它释放的就是化学能。比如20吨汽油，释放的化学能相当于500吨TNT炸药的能量。如果原子核发生改变，那么释放的是核能，核能效率比化学能效率要高100万倍。

所以我们可以看到，1公斤U235释放的能量，相当于2万吨TNT释放的总能量。我们今天讲的伽玛射线暴的能量，相当于是2.5万亿亿亿原子弹释放的总能量，如果每一个原子弹里面包含U235，相当于20公斤U235的放射性的元素，所以我们看到伽玛射线爆释放的能量，是非常巨大的。

当原子核进行核反应，如果有质量亏损的时候会释放核能，1945年美国在广岛和长崎爆炸了两颗原子弹，从而很快结束了第二次世界大战，在1949年美国成功研制氢弹，1951年前苏联成功研制原子弹，1964年中国研制原子弹，这样的话有两个社会主义国家，能够成功进行原子弹爆炸，美国在1967年发射了Vela间谍卫星，间谍卫星在当年发现了16个这样的爆炸事件，美国国防认为，前苏联和中国在进行如此多的原子弹爆炸，经过6年的数据审查之后，发现这样爆炸不是来自于地球，而是来自于宇宙空间，所以从而在1973年，他们第一次发表关于伽玛射线暴的文章。

这就是伽玛射线暴在某一个时间，某一个空间发生了一次伽玛射线闪，这个伽马射线闪我们可以看到，它的流量随时间在变化，总的来说时间只有几秒，所以他是一个短时间的伽玛射线暴发，伽玛射线暴是在冷战期间，由美国的间谍卫星，于1967年进行核爆炸监测时发现的。首次发表文章是在1973年，我们每天能够看到多少个伽玛射线暴呢？观测表明我们每天可以看到1到3个伽玛射线爆发，跟烟花相比，伽玛射线暴发现是宇宙里面，除了宇宙大爆炸以来，是最亮的爆炸事件，能量最高的，是宇宙献给人类最璀璨的烟花。

伽玛射线暴的活跃态势

1997年伽玛射线波段探测伽玛射线暴，在光学波段、射电和X射线波段，都可以检测到伽玛射线暴的余辉辐射，这个成就被评为当年度世界十大科学成就之一。1999年人们发现伽玛射线暴可能跟黑洞的诞生相关，因为人们发现伽玛射线暴跟超新星相关，当发现伽玛射线暴的时候，探测到一个超新星爆发，而这种超新星爆发被认为是黑洞诞生的起源，所以认为伽玛射线暴可能跟超新星有关，所以1999年当年也是把伽玛射线暴的研究，评为世界十大科学成就之一。

在2003年的确看到一个伽玛射线暴跟超新星相关，而且在同一个方向，同一个时间，发生了爆发事件。这个事件表明伽玛射线暴应该是来自于一个恒星，而且是很大质量恒星这样的一个起源，所以在2003年也把伽玛射线暴这样一个发现，列为世界十大科学成就之一。

那么在2005年，当时发现了一种伽玛射线暴可能来自于两个中子星，或者中子星与黑洞的并合，当时发现的是一个间接的证据，但是人们也把这样的一个发现列为世界十大科学成就之一。

去年，人们探测到了双中子星的并合，而且人们在探测到双中子星并合的同时看到一个伽玛射线暴，显而易见，双中子星并合，应该说作为伽玛射线暴的起源之一，在并合过程当中产生很强的引力波辐射。这样的话，伽玛射线暴前后有五次，被列为世界十大科学成就之一。

伽玛射线暴的观测概况

下面我们来看看观测，伽玛射线暴到底是什么样的东西？首先问这样一个问题，伽玛射线暴是什么？简单的说一下，伽玛射线暴应该是在宇宙空间里面发生的伽玛射线暴的闪耀这种现象，它的时标非常非常短，到底短到什么时间？持续时间有可能从毫秒，到几秒的持续时间，总的来说非常短，而且它的波形是没有规则的，非常的复杂，有些伽玛射线暴只有一个脉冲，有的伽玛射线暴有多个脉冲。

另外我们看看伽玛射线暴的能谱，总的来说能谱非常简单，这种密集分布的能谱是非热谱，伽玛射线暴的空间分布，这里面展示的是2704个伽玛射线暴在空间上的分布，我们看到这里面每一个点代表伽玛射线暴的位置，不同的颜色代表伽玛射线暴的流量。总的来说伽玛射线暴的分布，是高度的各向同性。如果跟银河系里面的天体进行比较，我们看看这是银河系里面天体的分布，我们看到这个分布是呈现了盘的分布，这也是因为在银河系盘上有大量的恒星存在，而跟伽玛射线暴相比，显然伽玛射线暴不是来自于银河系里面的天体。

我们再看看银河系里面中子星的分布，中子星的分布也是呈现盘状的分布，这是非常自然的，因为中子星是产生于大质量恒星的坍缩，坍缩的过程当中产生了中子星。

这里面我简单的再介绍一下，什么叫中子星？这里展示的中子星，它的质量基本上和太阳质量差不多大小，但是它的半径只有10公里，非常小的半径，如果我们取中子星的物质，这个物质大概跟你手指指甲大小，发现（这个）中子星的物质，总的质量或者重量，大约是13亿中国人的重量的总和，所以它是非常非常的致密。跟中子星相关的研究课题，包括中子星的发现，包括双中子星系统的发现等等，这样的四个课题，已经四次获得物理学诺贝尔奖。所以中子星的研究，在现在天体物理学里面，是非常前沿的课题。

刚才我们讲到伽玛射线暴在空间里面的分布是高度的各向同性，我们也看到，它不是来自于银河系里面的任何一个天体，更不是来自于银河系的中子星。高度的各向同性，从统计上来讲，应该支持伽玛射线暴是来自于宇宙的边缘，因为在宇宙里面任何一个天体，总的来看，它应该是高度的各向同性。现在要解决一个问题，到底伽玛射线暴在什么地方，天文学家首先要问的一个问题是，天体在哪儿产生？它发生了一个什么样的现象？同样的我们也要问，伽玛射线暴在哪儿发生？这个就是要研究测量伽玛射线暴的距离，怎么才能测量伽玛射线暴的距离？

这个就是叫BeppoSAX的卫星，在1997年第一次探测到伽玛射线暴的X射线余辉。这个就是BeppoSAX，它里面有三个探测器，其中有一个宽视场的相机，它的定位精度可以到3个角分。根据这样的定位精度，人们就发现在伽玛射线暴这个方向，不仅有X射线余辉，而且有光学辐射的余辉辐射，甚至还有射电辐射的余辉辐射。

这个就是在1997年，BeppoSAX首次探测到的来自于1997年2月28号，这一次伽玛射线暴的X射线余辉。我们可以看到这两个图像表现的是，从2月28号到3月3号，余辉的亮度在衰减，表明余辉辐射是在衰减的这样一个现象。根据BeppoSAX的定位，人们还可以探测到，来自于伽玛射线暴的光学余辉辐射和射电余辉辐射。

所以1997年对伽玛射线暴的研究，是具有重大发现的里程碑的工作。人们不仅在X射线，同时还可以在光学和射电这个波段，都可以看到来自于伽玛暴的余辉辐射。不仅如此，人们还能探测到伽玛射线暴的红移，就是测量伽玛射线暴的距离，有了伽玛射线暴的距离之后，我们就可以计算伽玛射线暴的总能量。计算表明，由于伽玛射线暴是来自宇宙深处，来自于宇宙的边缘，人们发现伽玛射线暴一秒钟之内释放的辐射能量，相当于太阳整个一生中释放的总能量，所以伽玛射线暴的能量是非常非常的巨大。

我们谈一谈怎么样去理解伽玛射线暴能量的辐射，这张图展示的是从中心有一个中心引擎，中心引擎也可能是一个黑洞，或者是一个中子星，是一个快速转动的中子星，这样的中心引擎产生一个喷流，这个喷流的速度，是一个极端相对论的速度，它的速度几乎可以达到0.9999倍的光速，所以以这样一个极端相对论的喷流，在向外面运动的时候，如果在喷流里面，两个不同壳成的物质以不同的速度再相互碰撞的话，那么会产生伽玛射线暴，这样碰撞的物质，跟外面的介质再产生相互作用的话，就会产生多波段的余辉辐射，这是一个基本的物理图像。

伽玛射线暴的爆发机制

现在我们来看伽玛射线暴怎么爆发的，爆发的机制是什么？有三个机制，第一个机制，有一些时标比较长的伽玛射线暴，产生于大质量恒星的坍缩，大质量恒星经过长时间演化，大概是10的7次方年到10的8次方年演化之后，中心首先有可能坍缩成一个黑洞或者中子星，这样一个中子星或者黑洞，会产生一个喷流，喷流速度接近于光速，然后这个喷流会穿过恒星的包层，产生伽玛射线暴。那么同学们可能要问，你的证据是什么？你有什么观测证据表明，某些伽玛射线暴产生有大质量恒星的坍缩？

第一个证据我们称之为间接证据，我们看看伽玛射线暴周围的环境是什么？我们知道现在的空气污染，环保局会根据空气污染程度，发现某些污染空气的厂家究竟排什么样的污染物，同样地，我们也可以根据伽玛射线暴周围的环境来猜测它的爆发机制。首先我们看看在伽玛射线暴发现余辉之后，人们马上发现伽玛射线暴周围的环境，可能是一种星风环境，什么叫星风环境？比如说一个大质量恒星，在经过长期的演化过程当中，会抛射出来物质，这些物质就形成了星风环境，如果我们发现有星风环境的话，伽玛射线暴可能跟大质量恒星坍缩相关，这个是一个间接的证据。

那么直接的证据是什么？刚才我们展示的一个动画表明，当这个大质量恒星在坍缩的时候，形成一个超新星爆发，同时在某些方向上，会产生速度非常快的喷流，那么我们看到这个方向，就是喷流的一个方向，在其他方向就产生这个超新星爆发。如果我们在观测伽玛射线暴的同时，能够监测到超新星和伽玛射线暴同时发生，显而易见，伽玛射线暴应该产生于大质量恒星的塌缩。那么在2003年有一个3月29日的伽玛射线暴，就发现跟2003DH这个超新星是相关的，因为它们是同一个方向，同一个时间发生，所以提供了某一类伽玛射线暴产生于大质量恒星坍缩的直接的证据。

那么我们再看看第二个机制，叫双中子星并合。刚才我们讲到，中子星产生于大质量恒星坍缩，最后产生中子星，大质量的恒星组成的双星系统，会产生两个中子星，当两个中子星经过引力波辐射之后，这两个中子星靠得越来越近，同时这两个中子星转动的周期会加快，同时产生很强的引力波辐射，最后要并合。在并合的过程中会抛射这些物质，同时可能会在某一个方向产生喷流，喷流这个方向，我们可以观测到伽玛射线暴，这是一个双中子星并合的图像，双中子星并合，我们首先也要问，怎么观测发现，某些伽玛射线暴产生于双中子星的并合，探测引力波辐射就成了至关重要的证据。

这个是美国的激光干涉引力波天文台，测量引力波时候的一个图像，我们看到当这个激光经过分光镜，分成两路光之后，然后经过反射线形成两路光再回来，在这个地方产生了干涉条纹，人们可以根据干涉条纹，来研究引力波的频率和强度，所以这个是用LIGO来研究测量高频率引力波的原理。由于发现了双黑洞并合产生了引力波，所以这三个人去年获得了诺贝尔物理学奖。去年有一个很重要的事件，这个事件就是8月17号有一个引力波探测，同时看到了伽玛射线暴，同时还看到了其他波段的辐射，这样的事件被认为产生于双中子星的并合。

所以在去年的10月16号，美国的东部时间上午10点，中国的晚上10点，全世界有很多新闻媒体、很多研究机构举行新闻发布会，讲的就是引力波跟伽玛射线暴相关的事件，这个事件在同一天，同时在网上释放65篇文章，顶级文章有14篇。这样的引力波暴和相关电磁波辐射，它的位置是什么呢？

我们看到这里面展示的是LIGO和VIGO的位置，它的范围是2.8平方度，这个位置里面有Fermi 高能伽玛射线卫星，看到了伽玛射线辐射的位置，其他的光学和射电在这样的位置里面，看到了定位更精确的星系NGC4993，里面有一个里面有一个暂星源，这个暂星源就是来自于双中子星的并合，而且产生了多波段的辐射，这篇文章由全世界953个研究机构里面的3674个科学家发表，这可能是所有文章里面，作者数最多的一篇文章。

那么我们再看看它产生的引力波辐射，这个图展示引力波的频率随着时间的变化。我们看到随着时间推移，随着并合的推移，频率在增加，而且幅度在增加。我们看到这样一个观测的图，引力波之后，人们马上探测到一个伽玛射线暴，同时还看到多波段的辐射，这个辐射叫千新星的辐射。

我们首先看看第一个成分——伽玛射线暴，我们看看展示的下面就是引力波辐射，上面展示的就是伽玛射线暴的辐射。我们看到后面突然出现流量增加的现象，这种现象就是一次伽玛射线暴。这一次事件表明引力波和伽玛射线暴相关，这说明伽玛射线暴是来自于双中子星的并合。

因为观测上，人们可以根据引力波的波型，去测量两个中子星的质量，结果这个质量，正好落在中子星的范围之内，跟银河系里面观测到的黑洞质量，是非常不一致的。因为我们看到，银河系里面黑洞的质量基本都是恒星级的这种质量，都是8倍以上的太阳质量，而我们看到的这两个天体质量，基本上在1点几倍的太阳质量，这个质量正好是中子星的范围。

我们再来看其他的重要成分，就是千新星的成分，当时在南半球，有很多的光学望远镜观测，在智利、南非、澳大利亚、西班牙的岛屿、夏威夷，以及南极都有望远镜观测，都能够定位和测量千新星的辐射。

在双中子星并合过程当中会合成大量的放射性元素，这里面展示的是元素周期表，很多同学和家长都非常熟悉，这里面不同颜色代表通过天体物理的过程，合成了这些元素，其中有双中子星并合的，有超新星爆发的。

我们看到这里面橘黄色的都是双中子星并合的，合成的这些放射性元素。我们看到这里面成分包括黄金，白金和白银，所以在座很多女士身上的黄金，有可能来自于双中子的并合。当时听说人们知道双中子星并合产生黄金的时候，当时全世界的黄金股市突然降了9%。这张图展示的是一个动画，展示的是千新星的能谱。左边的图中间有一个点，它的亮度在发生改变，随着时间在发生改变，我们来看看它的改变，从一开始很亮到最后变得很暗，右图展示的是千新星的能谱，而且是快速演化的，这样的工作被很多文章发现，展示千新星是产生于双中子星并合的事件。

双中子星并合到底有什么意义呢？第一个重要的意义是，标志着多信使天文学的新时代，这里面多信使既包括引力波的观测，也包括伽玛射线传播端的观测，所以它标志一个多信使天文学的新时代。第二个，双中子星并合，一定是某些短波的起源，另外双中子星并合过程当中，会合成大量的超重元素，而且这些超重元素会驱动千新星，地球上很多超重元素，都是由于双中子星并合产生的，这是非常重要的天体物理的过程。

当然在双中子星并合之后，很多老师和家长要问，并合之后产物是什么？有可能黑洞或者有可能中子星，如果是黑洞应该会产生什么样的观测效应？如果是中子星又能解释什么样的观测事实？我们发现如果并合之后是大质量中子星，这样的中子星会导致伽玛射线暴之后，有某些X射线耀发的现象。所以两个中子星诞生之后，经过10的8次方年到10的9次方年的演化，两颗中子星是不离不弃，最后要并合。两个中子星我们把它比喻成：在天愿为比翼鸟，在地愿为连理枝，天长地久有时尽，此恨绵绵无绝期。

总而言之，两颗中子星不管怎么样，总是要并合的，在并合的过程当中产生伽玛射线暴和引力波暴。好在两个中子星并合之后，我们可以观测引力波爆和伽玛射线暴，我们可以对双中子星的并合，给出非常好的研究，所以它的意义是非常重要的。

第三个机制是中子星的相变，这张图展示的是一个中子星。总的来说，一个中子星是一点几倍的太阳质量，半径只有十公里，但是我们知道中子星里面，主要是由中子组成，中子是由夸克组成，当中子星变得越来越胖的时候，中子星不能承受里面强相互作用之后，中子星相变成夸克星，相变过程当中可能产生伽玛射线暴。所以伽马射线暴，有可能是宇宙中的夸克带。

研究展望

最后我们再讲讲研究展望，伽玛射线暴还有什么样的问题？伽玛射线暴可能还有这样的主要问题，首先我们要问中心引擎是什么？中心引擎究竟是是中子星，还是夸克星，还是高速旋转的黑洞？当然这方面的问题，将来要通过引力波和电磁波观测来解决。另外伽玛射线暴的本身辐射的规律是什么？机制是什么？，伽玛射线暴是一个极端的天体物理现象，究竟能够揭示在极端条件下，什么样的物理规律，将来还要进一步靠观测来研究，伽玛射线暴宇宙学上有什么样的意义，我们可以通过伽玛射线暴，对宇宙的模型给出什么线索？

首先我们来看看，伽玛射线暴对宇宙的演化，可以给出什么样的线索。刚才提到可以通过研究某类超新星，叫Ia型超新星，如果我们处在不同的位置，根据宇宙的不同的演化，我们可以根据超新星观测的亮度，来研究宇宙的演化。人们发现过去的宇宙是减速膨胀，现在的宇宙是加速膨胀，这方面的工作在1998年发现之后，2011年获得物理学的诺贝尔奖。

伽玛射线暴到底能不能干相同的事情，刚才我们讲，伽玛射线暴来自宇宙的深处，而且可能来自于宇宙的边缘，由于伽玛射线暴具有更大的能量，和更高的距离，所以我们也可以把伽玛射线暴作为一个尺子，来研究宇宙怎么演化的。我们提出用伽玛射线暴来对宇宙进行研究，这是伽马射线暴好的方面。当然它也有非常不好的方面。刚才武向平院士也提到，如果伽玛射线暴在我们银河系里面发生，那么这样的伽玛射线暴，由于产生大量的伽玛射线辐射，这些大量的伽玛射线辐射，照到我们空气上面的时候，使得氧气和氮气分解之后，形成了二氧化氮，由于二氧化氮是酸性的气体，当二氧化氮大量合成之后，就可以挡住可见光，同时紫外光就可以透进来，这个时候地球就变得非常寒冷。人们认为在4.43亿年之前的一次生命大消亡，就可能来自于我们银河系里面的一次伽玛射线暴的爆发事件。当然，这样的事件概率非常的低，在我们银河系里面，大概1000万年可能发生一次。

我们如何解决刚才存在的主要的问题，还是要靠天文观测，因为天文是观测的一门学科，所以我们要靠天文望远镜观测来解决问题。

首先通过高能卫星研究伽玛射线暴，包括Swift卫星、Fermi卫星，HXMT望远镜卫星（慧眼卫星），SVOM——中法建设的卫星。另外，还要靠升级之后的LIGO和Virgo的引力波探测器，对伽玛射线暴进行研究。

首先展示的是硬X射线调制望远镜，就是“慧眼”卫星，在2017年6月15日已经成功发射。它其中一个主要目标之一，就是监测伽玛射线暴。

第二个就是在我们国家的中法空间变源监测卫星，它在2021年发射，里面有监测伽玛射线暴，监测光学软X射线等等，对伽玛射线暴的辐射和余辉辐射都可以进行研究。我们国家还有FAST，是在射电波段研究伽玛射线暴的余辉辐射，到时候可以把伽玛射线暴爆发的能量确定下来。在世界上面有很多望远镜和卫星来研究伽玛射线暴，我们国家也已经加入这样的行列，将来有好几颗卫星来进行观测。我们看到要解决伽玛射线暴的问题，需要靠大量的望远镜和卫星来研究，特别是要靠科学家，包括观测家和理论家进行交流。

“一水长流池不涸，两贤互磋道终同”，最后要揭示伽玛射线暴的基本物理问题，需要靠观测家和理论家的研究，伽玛射线暴是宇宙里面最璀璨的礼花，同时它浓缩的是物理学的四大基本相互作用，将来研究伽玛射线暴要靠这些观测家和理论家通力合作，最后欲知物理如何，期盼大家求解，非常感谢！

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