伽马射线暴是宇宙中已知最剧烈的爆炸现象——在几秒到几分钟内释放的能量相当于太阳100亿年辐射总和的数百倍，其瞬时光度可超过整个可观测宇宙中所有星系的总和。这些神秘的高能光子暴发首次在1967年被军用卫星探测到，在随后30多年里成为天体物理学最大的未解之谜。直到1997年，人类才确认它们来自宇宙学距离——意味着其能量之巨大超出想象。2003年以来的观测揭示：短暴（<2秒）来自双中子星并合，长暴（>2秒）来自大质量恒星核心坍缩。伽马射线暴不仅是极端物理的天然实验室，也是重元素（金、铂、铀）的主要来源、引力波的多信使伙伴，以及早期宇宙的探针。
1967年7月2日，美国Vela系列军用卫星探测到一次神秘的伽马射线爆发。这些卫星的设计目的是监测苏联是否违反《部分禁止核试验条约》进行核试验。但这次信号不像是核爆炸——它来自太空，且持续时间极短。
1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的雷·克莱贝萨德尔等人解密了这些数据，发表了第一篇关于伽马射线暴的论文，确认了16次爆发事件。他们将其命名为伽马射线暴（Gamma-Ray Burst，GRB）。
“我们最初以为这是卫星故障或核试验，但信号的特征太奇特了。它们来自太空，方向随机，持续时间极短——我们完全不知道它们是什么。”
在接下来的30年里，伽马射线暴的起源是天体物理学最大的谜题之一。
两种对立的假说：
| 假说 | 距离 | 能量 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|---|---|
| 银河系内假说 | 几百光年 | 10³⁹ erg | 不需要极大能量 | 无法解释各向同性分布 |
| 宇宙学距离假说 | 数十亿光年 | 10⁵¹-10⁵⁴ erg | 解释各向同性 | 能量极其巨大 |
伽马射线暴在天空中的分布是各向同性的（均匀分布），不集中在银道面。这强烈暗示它们来自银河系外，而非银河系内。
1997年2月28日，意大利-荷兰BeppoSAX卫星探测到一个伽马射线暴（GRB 970228）。它首次精确定位到约3角分精度，使其他望远镜能够快速跟进观测。
几天后，天文学家在光学和射电波段发现了余辉——这是伽马射线暴的“后发信号”。更关键的是，余辉的光谱显示红移，证明它来自宇宙学距离（约几十亿光年）。
1997年，荷兰天文学家扬·范·帕拉代斯领导团队首次探测到GRB 970228的光学余辉。他说：“当我们计算红移时，我几乎不敢相信——它在几十亿光年之外。这意味着伽马射线暴的能量是太阳的几十亿倍。”
1998年，GRB 980425与一颗超新星（SN 1998bw）同时出现在同一位置，首次建立了长暴与大质量恒星死亡之间的直接联系。
长暴的起源在1990年代末基本确定，但短暴（<2秒）长期未被理解。直到2005年，Swift卫星精确定位了几个短暴，发现它们位于星系的外围，且没有伴随超新星。
2017年8月17日，人类迎来了突破性时刻：LIGO探测到双中子星并合的引力波事件GW170817，同时费米卫星探测到1.7秒的伽马射线暴GRB 170817A。这是人类首次同时探测到引力波和电磁辐射——多信使天文学的诞生，也最终证实了短暴的起源。
伽马射线暴按持续时间分为两类：
| 类型 | 持续时间 | 比例 | 典型能量 | 起源 |
|---|---|---|---|---|
| 长暴 | >2秒 | 约70% | 10⁵¹-10⁵⁴ erg | 大质量恒星坍缩 |
| 短暴 | <2秒 | 约30% | 10⁴⁹-10⁵² erg | 双致密星并合 |
分布特征：
前身星：质量>20-30 M☉的大质量恒星（沃尔夫-拉叶星）
形成过程：
1. 大质量恒星核心坍缩成黑洞
2. 黑洞快速吸积周围物质，形成吸积盘
3. 吸积盘产生相对论性喷流（速度>0.999c）
4. 喷流穿透恒星包层，产生伽马射线辐射
5. 几周后，超新星爆发（Ic型）
与超新星的关联：
前身星：双中子星，或中子星+黑洞
形成过程：
1. 双星系统因引力辐射损失能量，轨道衰减
2. 两颗致密星螺旋靠近，最终并合
3. 并合形成黑洞，产生相对论性喷流
4. 喷流产生伽马射线爆发
与引力波的关联：
重元素的工厂：
少数伽马射线暴持续时间超过1000秒（约1小时），称为超长暴。
可能机制：
典型代表：GRB 111209A（持续约2.5小时），红移0.677，与超亮超新星SN 2011kl成协。
伽马射线暴的瞬时辐射能量高达10⁵¹-10⁵⁴ erg（1 erg = 10⁻⁷ J）。这个能量从何而来？
长暴的能量来源：
短暴的能量来源：
伽马射线暴的观测特征要求喷流以极端相对论速度运动：
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 洛伦兹因子 | 100-1000 | v ≈ 0.99995c - 0.9999995c |
| 开角 | 1-10度 | 狭窄的喷流 |
| 能量 | 10⁵¹-10⁵⁴ erg | 各向同性等效能量 |
喷流为什么重要？
伽马射线暴瞬时辐射的快速光变（毫秒级）要求辐射区域极小（约光毫秒尺度）。内激波模型是目前最被接受的解释：
1. 中心引擎间歇性抛射物质，速度略有差异
2. 后抛出的快物质追上先抛出的慢物质
3. 碰撞产生激波，加速粒子
4. 粒子在磁场中产生同步辐射，发射伽马射线
伽马射线暴的瞬时辐射结束后，喷流与星际介质相互作用，产生持续数天至数年的余辉。
| 波段 | 持续时间 | 物理过程 |
|---|---|---|
| X射线 | 数天-数月 | 喷流与星际介质的正向激波 |
| 光学 | 数周-数月 | 激波加热的电子辐射 |
| 射电 | 数月-数年 | 喷流侧向膨胀，同步辐射 |
| 红外 | 数周-数月 | 尘埃吸收再辐射 |
余辉的意义：
伽马射线暴的探测经历了多代卫星：
| 卫星 | 时间 | 贡献 | |
|---|---|---|---|
| Vela | 1963-1985 | 首次发现GRB（1967） | |
| 康普顿伽马射线天文台（BATSE） | 1991-2000 | 探测2700+ GRB，发现各向同性分布 | |
| BeppoSAX | 1996-2002 | 首次精确定位，发现余辉（1997） | |
| Swift | 2004-今 | 快速定位，多波段观测 | |
| 费米 | 2008-今 | 高能伽马射线（GeV），监测全天空 | |
| 慧眼 | 2017-今 | 中国首个GRB探测器 | |
| 爱因斯坦探针 | 2024- | 中国，软X射线巡天 | |
| 事件 | 类型 | 红移 | 意义 |
| ------ | ------ | ------ | ------ |
| GRB 970228 | 长暴 | 0.695 | 首个光学余辉，证明宇宙学距离 |
| GRB 980425 | 长暴 | 0.0085 | 与SN 1998bw成协，长暴-超新星关联 |
| GRB 990123 | 长暴 | 1.6 | 光学闪肉眼可见，光度极大 |
| GRB 030329 | 长暴 | 0.168 | 最明亮光学余辉，确认SN 2003dh |
| GRB 080319B | 长暴 | 0.937 | 最亮GRB，肉眼可见（峰值视星等5.3） |
| GRB 090510 | 短暴 | 0.903 | 检验洛伦兹不变性 |
| GRB 170817A | 短暴 | 0.0098 | 与GW170817成协，短暴-引力波关联 |
| 项目 | 时间 | 贡献 | |
| ------ | ------ | ------ | |
| 慧眼卫星 | 2017-今 | 探测GRB，硬X射线偏振 | |
| 爱因斯坦探针（EP） | 2024- | 软X射线巡天，发现早期宇宙GRB | |
| LHAASO | 2021-今 | 超高能伽马射线观测 | |
| 天格计划 | 2016-今 | 学生卫星星座，GRB定位 |
2017年GW170817事件证明：双中子星并合是快中子俘获过程（r过程）的主要场所。
| 元素 | 生产过程 | 主要来源 |
|---|---|---|
| 铁、镍 | 硅燃烧 | 超新星（核心坍缩、Ia型） |
| 金、铂、铀 | r过程 | 双中子星并合（~80%）、超新星（~20%） |
最遥远的伽马射线暴（红移>8）发生在宇宙年龄不到7亿年时：
| 事件 | 红移 | 宇宙年龄 | 意义 |
|---|---|---|---|
| GRB 090423 | 8.2 | 6.3亿年 | 首个红移>8的GRB |
| GRB 140419A | 8.2 | 6.3亿年 | 第二例 |
| GRB 090429B | 9.4 | 5.2亿年 | 候选最远GRB |
GRB可以探测到极远距离，用于研究：
伽马射线暴是研究极端物理的天然实验室：
| 物理问题 | GRB的贡献 |
|---|---|
| 相对论性喷流 | 洛伦兹因子达1000，能量耗散机制 |
| 粒子加速 | 电子加速到PeV能量 |
| 磁场演化 | 磁流体动力学模拟检验 |
| 洛伦兹不变性 | 极高能量光子的传播时间差异 |
| 引力波 | 短暴的双致密星前身 |
如果伽马射线暴发生在银河系内，且喷流指向地球，会对地球产生什么影响？
| 距离 | 效应 |
|---|---|
| 数千光年 | 臭氧层大量破坏，紫外线辐射增加，物种灭绝 |
| 数百光年 | 大气电离，生态系统崩溃 |
有假说认为：4.5亿年前的奥陶纪末期大灭绝可能是银河系内GRB造成的。但这种关联尚无定论。幸运的是，GRB喷流极窄，指向地球的概率极低（约百万分之一）。
长暴的中心引擎是黑洞+吸积盘，但短暴的中心引擎呢？并合后是黑洞还是大质量磁星？
喷流如何加速到洛伦兹因子1000？磁流体动力学？辐射压？还是中微子？
短暴的能量、持续时间、光变曲线差异很大。这是前身星差异（中子星-中子星 vs 中子星-黑洞）还是观测视角造成的？
超长暴的持续时间如何解释？蓝超巨星坍缩？潮汐撕裂事件？磁星？
冰立方中微子观测站探测到一些可能与GRB相关的中微子事件。但GRB是否是高能中微子的主要来源？