據兩組天文學家今天在《自然》雜誌上報道，宇宙中最強大的爆炸變得更加強大。
幾乎每天，伽馬射線暴 (GRB) 都會在沒有任何預警的情況下從宇宙的深處席捲地球。人們認為，每次伽馬射線暴都標誌著黑洞的災難性誕生，原因可能是大質量恆星的坍縮或中子星的合併。由於典型的 GRB 在短短幾秒鐘內釋放出的能量超過太陽在其 100 億年生命週期內產生的總能量，因此幾乎可以在整個可見宇宙中看到它。
前提是您擁有合適的裝置。雖然我們的眼睛看不見伽馬射線，但它們威力巨大。事實上，它們的能量非常高，以至於它們會以無情的效率撕裂地球大氣層中的原子和分子，在到達地面望遠鏡之前就完全消失在稀薄的空氣中。自從 20 世紀 60 年代末美國政府衛星在地球及其周圍地區監視核爆炸時首次偶然發現伽馬射線以來，GRB 發出的伽馬射線主要由太空天文臺監測。然而，此類設施上的探測器太小，無法靈敏地探測到理論家預測 GRB 應該發出的最高能量伽馬射線的一小部分——因此沒有人真正知道 GRB 到底有多強大。在過去的三十年中，天文學家一直試圖透過使用更大的地面望遠鏡陣列來觀測超高能伽馬射線撞擊高層大氣層時產生的微弱光芒（稱為切倫科夫光），從而捕捉到這些難以捉摸的極端 GRB 輻射。但是，由於觀測條件困難且僅限於最亮、最近的 GRB，所有這些努力均未成功——直到現在。
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在六個月的時間裡，兩個國際研究團隊操作地面切倫科夫望遠鏡，獨立探測到來自兩個不同 GRB 的極端伽馬射線。第一次觀測發生在 2018 年 7 月，來自奈米比亞的高能立體觀測系統 (HESS)，這是一個 28 米的望遠鏡陣列，它記錄了來自一個名為 GRB 180720b 的事件的超過 100 吉電子伏特的伽馬射線。第二次觀測來自位於西班牙加那利群島拉帕爾馬島的雙 17 米大氣層伽馬成像切倫科夫望遠鏡 (MAGIC)，發生在 2019 年 1 月，針對一個名為 GRB 190114c 的事件。MAGIC 觀測探測到來自 GRB 190114c 的 1 太電子伏特的伽馬射線，並引發了來自全球望遠鏡的立即跟進觀測活動。（100 吉電子伏特大約是可見光光子攜帶能量的 1000 億倍，而 1 太電子伏特大約是可見光能量的萬億倍；這種能量在地球粒子加速器中是常規達到的，但以前從未從天體源記錄到過。）
GRB 190114c 的衰退餘輝（綠圈）在其宿主螺旋星系內，如圖所示，這是哈勃太空望遠鏡在 2019 年 2 月 11 日和 3 月 12 日拍攝的兩張組合影像。該星系位於天爐座中，距離地球約 55 億光年。來源：NASA、ESA 和 V. Acciari 等人 2019 年
結果表明，GRB 最強烈的伽馬射線的能量與所有較低能量輻射釋放的能量總和相當——這意味著天文學家大約錯過了任何給定 GRB 產生的總能量的一半。“我們的發現表明，GRB 比以前認為的更具能量，”位於慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的 MAGIC 團隊成員、兩篇 報告該團隊對 2019 年 1 月爆發研究的論文的合著者拉茲米克·米爾佐揚說。“我們錯失了很多能量……現在我們可以更好地限制表徵 GRB 的各種引數，從而更好地理解這些怪物。”
HESS 團隊成員、位於海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的 GRB 180720b 研究報告的合著者埃德娜·魯伊斯·貝拉斯科說：“在我們進行這些探測之前，很難知道哪些 GRB 最有可能產生極高能伽馬射線。“既然我們已經觀察到了一些，就應該更容易確定要觀察哪些 GRB 以及在它們身上花費多少時間，從而更有可能在未來探測到更多 GRB。”
餘輝內部
GRB 分為兩個階段——最初，幾乎純伽馬射線的強烈閃光，然後是緩慢衰退的寬頻餘輝。閃光持續長達一分鐘，來自新生黑洞附近以接近光速噴射出的雙噴流粒子；餘輝是噴流撞擊周圍氣體產生的衝擊波，可以持續數月甚至數年。天文學家依靠 NASA 的 Swift 和 Fermi 衛星等敏捷的太空望遠鏡來探測 GRB 突然、短暫的閃光；這些探測會生成自動警報，傳送到世界各地，以便地面和太空中的眾多設施（包括 MAGIC 和 HESS）隨後研究 GRB 的持久餘輝。
MAGIC 和 HESS 不僅觀測到不同的 GRB，還觀測到餘輝的不同階段。HESS 對 GRB 180720b 的兩個小時觀測始於事件餘輝的晚期，即 2018 年 7 月 20 日晚上，大約在 Swift 和 Fermi 最初探測到位於雙魚座附近的 GRB 之後 10 小時；直到事後，透過仔細分析他們的檔案資料，HESS 團隊才意識到他們已經捕捉到了超高能伽馬射線，並在 2019 年 5 月 8 日在義大利博洛尼亞舉行的一次研討會上初步宣佈了這一發現。
伽馬射線暴的兩個階段示意圖。最初的“瞬時輻射”伽馬射線來自新生黑洞噴射出的粒子噴流；當噴流與周圍物質碰撞時，它們會產生持續時間更長的“餘輝”，從而在整個電磁頻譜中輻射。來源：NASA 戈達德太空飛行中心
魯伊斯·貝拉斯科說：“我們工作中最令人驚訝的資訊是，我們仍然可以在爆發開始後幾個小時深入探索 GRB 的餘輝輻射。“藉助未來的望遠鏡，我們將能夠在時間和能量上走得更遠。”
與 HESS 的長時間、後期凝視形成對比的是，當 Swift 和 Fermi 警報在 2019 年 1 月 14 日晚上發出，宣佈天爐座中發生了 GRB 190114c 時，MAGIC 望遠鏡在不到一分鐘的時間內轉向觀測餘輝。在最初 20 分鐘的觀測中，MAGIC 從 GRB 190114c 新鮮的餘輝中捕獲了數千個高能光子。
米爾佐揚回憶說：“我們立即開始寫電子郵件並致電我們在西班牙、德國和日本等許多國家的分析專家。“在交換了 64 封電子郵件和多次通話後，我意識到我們有了一個真正的發現。”在最初警報發出四小時後，米爾佐揚及其同事向世界各地的天文學家釋出了另一份更廣泛的警報，最終徵集了大約二十幾個地面和太空儀器，以研究從無線電波到光學和 X 射線的廣泛波長範圍內的餘輝。結合 MAGIC 的初始資料，以及最終來自 HESS 的測量結果，這項全球活動揭示了關於 GRB 如何產生天文學家見過的能量最高的光的新基本見解。
窺視峰值
研究人員幾十年來都知道，GRB 餘輝發出的大多數普通伽馬射線都來自同步加速輻射，其中電子在強磁場中旋轉時會釋放光子。但是，能量超過 100 吉電子伏特的伽馬射線的來源仍然是一個謎。主流理論認為，這些更高能量的輻射源於一種稱為逆康普頓散射的過程，其中透過在磁場中迴旋產生光子的相同電子隨後與其中一些光子碰撞，從而進一步提高光子的能量。這些模型的關鍵預測是，GRB 餘輝的能量分佈將呈現出明顯的“雙峰”，一個峰來自同步加速輻射，另一個峰來自生成光子的最終增強。MAGIC 團隊發起的 GRB 190114c 的多波長觀測清楚地顯示了完全相同的峰值，這也以更混亂的形式體現在 GRB 180720b 的 HESS 資料中。
早期對來自至少三個不同小組（包括一些由該理論的創始人領導的小組）的 MAGIC 資料進行獨立調查，更加令人信服地證明了逆康普頓輻射的案例。“這些新的觀測結果是 GRB 的‘羅塞塔石碑’，”耶路撒冷希伯來大學的天體物理學家茨維·皮蘭說，他在 20 世紀 90 年代末與同事雷姆·薩里和拉梅什·納拉揚開發了 一個有先見之明的 GRB 餘輝模型。“它們使我們能夠以前所未有的確定性和準確性揭示條件，併為我們理解 GRB 打開了一扇新的視窗。”皮蘭與俄羅斯科學院的合作者葉夫根尼·德里舍夫合作，利用來自 MAGIC 和 Swift 的公開資料，於 8 月發表了他們自己對 GRB 190114c 餘輝的分析，也指出逆康普頓散射是其高能輻射的來源。
皮蘭說：“我不得不說，我有點失望地看到[MAGIC 團隊]沒有提及我們早期對他們非常初步的資料的分析也得出了相同的結論。“他們非常清楚我們的研究結果，但他們只在他們論文的方法部分提到了我們的論文。我們的工作和 MAGIC 結果在關於模型的結論方面沒有顯著差異。”
米爾佐揚指出，正是因為德里舍夫和皮蘭的論文是基於 MAGIC 最初發布的稀缺資訊，而不是基於完整的資料集，所以他們“要麼做出一些具有不可忽略的邊際的估計，要麼進行一些主要合理的推測。”他說，這些估計和推測導致了兩個競爭研究之間“真正有意義的差異”，例如在 GRB 磁場建模方面。“他們只需要‘猜測’，而我們有資料來幫助我們避免可能性膨脹，”他總結道。
撇開這些爭議，內華達大學天體物理學家張冰是 GRB 餘輝理論的另一位重要貢獻者，也是 MAGIC 和 HESS 結果的 一篇隨附評論的作者，他說這一發現預示著該領域的光明未來。新一代設施——特別是國際切倫科夫望遠鏡陣列以及中國的拉索高海拔宇宙線觀測站——已經或即將開始收集更多關於新 GRB 的資料。
張冰說：“實驗學家和觀測者經過專注的工作，最終探測到了理論上預期了二十年的東西。“探測並不令人意外，但未來的觀測可能會揭示更多特徵，特別是對於附近的明亮事件。”（“附近”在這裡是相對而言的：MAGIC 破紀錄的 GRB 距離近 55 億光年，而 HESS 的 GRB 距離約為 70 億光年——就 GRB 而言，就像在後院籬笆外。）張冰說，既然地面切倫科夫望遠鏡已經表明它們可以探測到 GRB，它們最終可能會與中微子探測器和引力波天文臺一起研究新的事件，以前所未有的細節揭示宇宙中最令人敬畏的爆炸。