1999年1月23日清晨，新墨西哥州的一架機器人望遠鏡在北冕座中捕捉到了一道微弱的光芒。雖然用雙筒望遠鏡勉強可見，但它卻是人類有史以來見證的最耀眼的爆炸。我們可以看到它距離我們90億光年，超過了可觀測宇宙的一半距離。如果這個事件發生在幾千光年之外，它將像中午的太陽一樣明亮，並向地球輻射足夠的能量殺死幾乎所有的生物。
這道閃光是又一次著名的伽馬射線暴，近幾十年來，伽馬射線暴一直是天文學中最引人入勝的謎團之一。首次觀測到伽馬射線暴（GRB）是在1967年7月2日，來自監測太空核試驗的軍事衛星。這些宇宙爆炸被證明與衛星旨在探測的人造爆炸截然不同。在接下來的30年裡，每一次新的爆發都只會加劇困惑。每當研究人員認為他們找到了解釋時，證據都會讓他們回到原點。
過去十年中的重大發現使天文學家更接近最終答案。在1997年之前，我們對伽馬射線暴的大部分了解都基於康普頓伽馬射線天文臺上的爆發和瞬變源實驗（BATSE）的觀測。BATSE顯示，在可觀測宇宙的某個地方，通常每天會發生兩到三次伽馬射線暴。它們在伽馬射線天空中比其他任何事物都更耀眼。雖然每一次爆發都是獨一無二的，但這些爆發可以大致分為兩類。持續時間少於兩秒的爆發是短爆發，而持續時間更長的爆發（大多數）是長爆發。這兩個類別在光譜上有所不同，短爆發的相對高能伽馬射線比長爆發更多。1999年1月的爆發發射伽馬射線持續了一分半鐘。
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BATSE最重要的結果可以說是關於爆發的分佈。它們的分佈是各向同性的，也就是說，它們均勻地分佈在整個天空。這一發現對普遍的觀點提出了質疑，這種觀點認為爆發來自銀河系內的源頭；如果它們確實來自銀河系內，我們星系的形狀或地球在其內的偏心位置應該會導致它們在天空的某些區域聚集。均勻分佈使大多數天文學家得出結論，認為這些儀器正在探測整個宇宙中發生的某種事件。不幸的是，單靠伽馬射線無法提供足夠的資訊來確定問題。研究人員需要探測爆發在其他波長的輻射。例如，可見光可以揭示爆發發生的星系，從而可以測量它們的距離。嘗試探測這些爆發的對應物，但結果都徒勞無功。
進展的爆發
1996年，隨著義大利航天局與荷蘭航天局共同建造和運營的X射線航天器BeppoSAX的出現，這一領域取得了飛躍。BeppoSAX是第一顆精確定位伽馬射線暴並發現其X射線餘輝的衛星。餘輝在伽馬射線訊號消失時出現。它持續數天至數月，隨著時間的推移而減弱，並從X射線降解為強度較弱的輻射，包括可見光和無線電波。雖然BeppoSAX僅探測到長爆發的餘輝，但直到8年後才發現短爆發的對應物，它最終使後續觀測成為可能。鑑於BeppoSAX提供的位置資訊，光學和射電望遠鏡能夠識別伽馬射線暴發生的星系。幾乎所有星系都位於數十億光年之外，這意味著爆發一定非常強大。極端能量反過來需要極端的原因，研究人員開始將伽馬射線暴與他們所知的最極端的物體聯絡起來：黑洞。
BeppoSAX精確定位的最早的伽馬射線暴之一是GRB970508，之所以這樣命名是因為它發生在1997年5月8日。對其餘輝的無線電觀測提供了至關重要的線索。在前三週內，光芒不規則地變化了大約兩倍，之後趨於穩定，然後開始減弱。大的變化可能與爆發源本身無關；而是與餘輝光在太空中的傳播有關。正如地球的大氣層導致可見的星光閃爍一樣，星際等離子體會導致無線電波閃爍。為了使這個過程可見，源必須非常小且遙遠，以至於在我們看來它僅僅是一個點。行星不會閃爍，因為它們距離較近，看起來像圓盤，而不是點。
因此，如果GRB970508在無線電波長處閃爍然後停止，則其源必須從一個點增長到一個可識別的圓盤。在這種情況下，可識別意味著跨度為幾個光周。為了達到那個尺寸，源必須以相當快的速度（接近光速）膨脹。
BeppoSAX和後續觀測改變了天文學家對伽馬射線暴的看法。突然釋放能量集中在短暫幾秒鐘內的舊概念已被拋棄。實際上，甚至“餘輝”這個術語現在也被認為是具有誤導性的：兩個階段釋放的能量是相當的。餘輝的光譜是電子在磁場中以接近光速的速度運動的特徵。
GRB990123（1999年1月的爆發）對於證明爆發的巨大威力起到了重要作用。如果爆發在所有方向上均勻地輻射其能量，那麼它的光度必須是幾乘以1045瓦特，是太陽亮度的1019倍。相比之下，超新星爆發的光子發射分佈在數週內，其光度僅為伽馬射線暴的一小部分。即使是著名的明亮類星體，也僅釋放約1040瓦特。
然而，如果爆發將其能量定向發射而不是在所有方向上發射，則光度估計值會較低。來自GRB990123（以及其他爆發）餘輝隨著時間推移而變暗的方式證明了定向發射的存在。爆發兩天後，變暗的速度突然增加，如果觀察到的輻射來自以接近光速移動的狹窄物質噴流，這種情況自然會發生。由於相對論效應，隨著噴流減速，觀察者會看到越來越多的噴流。在某個時候，不再有東西可見，並且明顯的亮度開始更快地下降[見下一頁的框]。
對於GRB990123和其他幾次爆發，推斷出的噴流張角為幾度。只有當噴流沿著我們的視線對準時，我們才能看到爆發。這種定向發射效應將爆發發出的總能量減少了大約與噴流角度平方成正比的程度。例如，如果噴流跨度為10度，則它覆蓋了天空的大約五百分之一，因此能量需求下降了500倍；此外，對於每個被觀測到的伽馬射線暴，另有499個伽馬射線暴是看不到的。然而，即使考慮到定向發射，GRB990123的光度仍然達到了驚人的1043瓦特。
伽馬射線暴-超新星的聯絡
最有趣的發現之一是伽馬射線暴和超新星之間的聯絡。當望遠鏡去觀察GRB980425時，他們還發現了一顆超新星，名為SN1998bw，它在大約與爆發同時爆炸。巧合發生的機率是萬分之一。一個更確鑿的例子是GRB030329與SN2003dh的關聯。這個伽馬射線暴是由美國宇航局於2000年10月發射的第二顆高能瞬變探測器衛星（HETE-2）定位的。地面觀測顯示，在伽馬射線暴發生10天后，一顆超新星的寬光譜特徵與SN1998bw的特徵基本相同。迄今為止最好的例子是GRB060218，它與SN2006aj緊密相關。這個伽馬射線暴是由美國宇航局於2004年11月發射的雨燕衛星發現的。地面望遠鏡在超新星出現時，正在密切觀察逐漸消失的餘輝，超新星出現在伽馬射線暴發生三天後。
在上述三個例子中，GRB030329最接近於正常的長伽馬射線暴；GRB980425和GRB060218是不尋常的，因為它們光度較低，持續時間較長，並且主要是X射線事件。此外，這兩個爆發發生在伽馬射線暴標準中相對較近的星系中。這兩個爆發具有較長的光譜滯後，這意味著高能和低能伽馬射線脈衝到達時間間隔數秒。這些爆發最好被描述為X射線閃光，稍後將對此進行解釋。
除了GRB030329之外，還有強有力的證據表明其他正常的長伽馬射線暴與超新星有關。GRB970228是第一個發現光學餘輝的BeppoSAX伽馬射線暴。在爆發30天后，其光學光變曲線上出現了一個隆起，看起來很像超新星。
在幾個爆發的X射線光譜中檢測到金屬（最引人注目的是鐵），也暗示了伽馬射線暴和超新星之間的聯絡。眾所周知，鐵原子是由超新星爆炸合成並傾倒到星際空間中的。如果這些原子被剝奪了電子，然後又與電子結合，它們就會在獨特的波長下發出光，稱為發射線。BeppoSAX和日本X射線衛星ASCA早期對這些發射線的探測已被更可靠的測量所證實。值得注意的是，美國宇航局的錢德拉X射線天文臺在GRB991216中檢測到鐵線，從而直接測量了伽馬射線暴的距離。該數字與估計的爆發宿主星系的距離一致。在GRB011211周圍的氣體殼中，歐洲航天局的X射線多鏡衛星發現了來自矽、硫、氬和其他超新星通常釋放的元素的發射線的證據。
天文學家普遍接受伽馬射線暴（GRB）與超新星之間存在聯絡。由於伽馬射線暴比超新星罕見得多——宇宙中每天都會發生幾個伽馬射線暴，而超新星則有成千上萬個——並非每個超新星都與伽馬射線暴相關聯。也許超新星內部噴流很常見，在少數情況下，相對論性噴流會從超新星中逸出，而在這些情況中的少數情況下，其中一個噴流會指向我們，使我們能夠觀察到伽馬射線暴。此外，如果噴流的指向稍微偏離我們，那麼我們可能會觀察到能量較低的事件，其中X射線多於伽馬射線。
火球
即使撇開伽馬射線暴的能量是如何產生的這個問題不談，它們耀眼的光芒也構成了一個悖論。快速的亮度變化表明，輻射源自一個很小的區域：一個太陽大小的體積釋放出1019個太陽的亮度。如此多的輻射從如此緊湊的空間發出，光子一定非常密集，它們應該相互作用並阻止彼此逃逸。這種情況就像一群人在恐慌中奔向出口，以至於沒有人能出去。但是，如果伽馬射線無法逃脫，我們又怎麼能看到伽馬射線暴呢？
這個難題的解決辦法是在過去10年中發展起來的，那就是伽馬射線不是立即發射的。相反，爆炸的初始能量儲存在以接近光速移動的粒子殼（一個火球）的動能中。這些粒子包括電子及其反物質對應物正電子。這個火球膨脹到100億到1000億公里的直徑，此時密度已經下降到足以讓伽馬射線不受阻礙地逃逸。然後，火球將其部分動能轉換為電磁輻射，從而產生伽馬射線暴。
最初的伽馬射線輻射很可能是膨脹火球內部的衝擊波造成的。當膨脹物質中速度較快的團塊超過速度較慢的團塊時，就會產生這些衝擊波。由於火球以接近光速的速度膨脹，根據相對論原理，外部觀察者在火球路徑上看到的的時間尺度被大大壓縮了。因此，火球路徑上的觀察者會看到一個只持續幾秒鐘的伽馬射線暴，即使它的產生花費了一天的時間。火球繼續膨脹，最終它會遇到並掃過周圍的氣體。另一個衝擊波形成，這次是在火球和外部介質之間的邊界，並隨著火球減速而持續存在。這種外部衝擊很好地解釋了伽馬射線暴的餘輝輻射以及這種輻射從伽馬射線到X射線再到可見光，最終到無線電波的逐漸衰減。
雖然火球可以將爆炸能量轉化為觀測到的輻射，但最初產生能量的是什麼呢？這是一個單獨的問題，天文學家尚未達成共識。一類模型，被稱為超新星或坍縮星，涉及到質量大於我們太陽的20到30倍的恆星。模擬顯示，這種恆星的中心核最終會坍縮形成一個快速旋轉的黑洞，周圍環繞著剩餘物質的圓盤。
第二類模型呼叫雙星系統，該系統由兩個緻密天體組成，例如一對中子星（即超高密度的恆星屍體）或一箇中子星與一個黑洞配對。這種系統由於引力輻射的發射而損失軌道能量，因此兩個天體螺旋地朝彼此靠近併合併為一個。就像在坍縮星情景中一樣，結果是形成一個被圓盤包圍的單個黑洞。
許多天體現象都涉及洞-盤組合。這種特定型別的系統與眾不同之處在於圓盤的巨大質量（允許釋放巨大的能量）以及缺乏補充圓盤的伴星（這意味著能量釋放或多或少是一次性事件）。黑洞和圓盤有兩個巨大的能量儲備：圓盤的引力勢能和黑洞的旋轉能量。這些能量究竟如何轉化為火球還不完全清楚。在圓盤形成過程中，可能會產生比地球磁場強1015倍的磁場。在這樣做時，它會將圓盤加熱到如此高的溫度，以至於它釋放出光子、中微子和等離子體的火球。火球被匯入沿著旋轉軸流出的兩個狹窄噴流。
除了坍縮星和緻密天體合併模型之外，還應該注意到，還有其他關於伽馬射線暴中心引擎的模型。其中一個涉及從帶電黑洞中提取能量。在這種情景中，早期和餘輝伽馬射線暴的輻射都是火球掃過外部介質的結果。
有很多證據支援坍縮星導致長伽馬射線暴的假設。特別是，長伽馬射線暴與超新星的關聯是支援坍縮星的論點，畢竟，坍縮星本質上是大型超新星。此外，長伽馬射線暴通常出現在坍縮星預期發生的地方——即星系中近期恆星形成的區域。一顆大質量恆星在誕生後不久（幾百萬年）就會爆炸，因此它的死亡地靠近它的出生地。
越來越多的證據表明，緻密星合併導致了短時伽馬射線暴。預計這種機制不會產生超新星，而且事實上，尚未發現短時伽馬射線暴與超新星之間的關聯。此外，一對緻密星的軌道衰減是一個發生在數千萬到數十億年時間尺度上的過程。在前一種情況下，合併將發生在緻密星對中恆星誕生的附近。在後一種情況下，該對將在其宿主星系周圍漂移，因此最終合併不太可能與任何恆星形成區域相關聯。在斯威夫特和HETE-2在2005年發現並定位了幾個短時伽馬射線暴的X射線餘輝之後，發現了短時伽馬射線暴與恆星形成的這種混合關聯。
我們仍然不完全理解長時和短時伽馬射線暴之間的差異。例如，最近爆發的GRB060614是一個明亮、被充分觀測到的、附近的事件，它不能完全歸入任何一個類別。
所有這些發現表明，該領域有可能回答天文學中的一些最基本的問題：恆星如何結束它們的生命？黑洞是如何以及在哪裡形成的？來自坍縮天體的噴流的本質是什麼？
過去的爆炸
一個懸而未決的問題涉及暗伽馬射線暴或幽靈伽馬射線暴。在大約200個已定位並以伽馬射線以外的波長研究的伽馬射線暴中，約有90%在X射線中被觀測到。相比之下，只有約50%在可見光中被觀測到。為什麼有些伽馬射線暴在可見光中不發光呢？
有幾種效應可以使伽馬射線暴變暗。一種解釋是，這些伽馬射線暴位於恆星形成的區域，這些區域往往充滿塵埃。塵埃會阻擋可見光，但不會阻擋X射線。另一種有趣的可能是，一些幽靈是恰好非常遙遠的伽馬射線暴。這些伽馬射線暴產生的相關波長的光會被星系際氣體吸收。為了檢驗這個假設，透過X射線或紅外光譜測量距離將至關重要。第三種可能是，幽靈本質上是光學上微弱的。
高靈敏度的光學和無線電調查已經確定了一些暗伽馬射線暴的可能宿主星系。它們中的大多數都處於中等距離，這對於這些事件來說，支援了塵埃的解釋。但是，其中一個由斯威夫特確定的，處於黑暗宇宙區域的高紅移處。
另一個謎團涉及一類被稱為富含X射線的伽馬射線暴的事件，或者簡稱為X射線閃光。這些爆發由BeppoSAX發現，後來由HETE-2觀測和對BATSE資料的重新分析證實，目前由斯威夫特觀測，佔伽馬射線暴的20%至30%。它們發出的X射線輻射多於伽馬射線輻射；實際上，極端情況下根本沒有可檢測到的伽馬射線輻射。
對於X射線閃光，有三種可能的解釋。一種是，火球中載入了相對大量的重子物質，例如質子，從而形成了一個“髒火球”。這些粒子增加了火球的慣性，使其移動得更慢，更難以將光子提升到伽馬射線範圍。或者，X射線閃光可能是典型的伽馬射線暴，其噴流只是指向我們視線之外，因此只有較少準直和能量較低的X射線到達我們。第三種可能性是，至少一個X射線閃光似乎與比正常長時伽馬射線暴通常經歷的超新星爆炸不那麼極端的超新星爆炸相關。有人推測，在這種情況下，超新星中形成的是中子星，而不是黑洞。
伽馬射線暴天文學的下一步是積累數百種各種型別的爆發的觀測資料，以充實有關爆發、餘輝和宿主星系特徵的資料。這項工作正在由斯威夫特衛星牽頭，這要歸功於它的多波長能力以及其快速且自主地重新定向以更好地使用其高解析度儀器觀測爆發的能力。斯威夫特對短時爆發的敏感性是理解這個研究不足的類別的一個主要因素。
另一個目標是探測極端的伽馬射線能量。例如，GRB940217在爆發後一個多小時內發射出高能伽馬射線，這是康普頓伽馬射線天文臺上的高能伽馬射線實驗望遠鏡所觀測到的。天文學家不瞭解如何產生如此廣泛和高能的餘輝。義大利航天局的AGILE衛星預計於2007年發射，將觀測這些高能量的伽馬射線暴。超靈敏伽馬射線大面積空間望遠鏡任務也計劃於2007年發射，這將是研究這種令人困惑的現象的關鍵。
其他任務，儘管並非專門為伽馬射線暴的發現而設計，也將做出貢獻。國際伽馬射線天體物理實驗室於2002年10月17日發射，每年正在探測10多個伽馬射線暴。擬議中的高能X射線成像調查望遠鏡將配備一個靈敏的伽馬射線儀器，能夠探測到數千個伽馬射線暴。擴散輻射和伽馬射線暴爆炸探測器（EDGE）被提議將伽馬射線暴觀測為宇宙信標——以研究宇宙的早期階段及其隨時間的演化。
該領域經歷了一系列的突破性年份，發現了伽馬射線暴是發生在整個宇宙中的巨大爆炸。爆發為我們提供了一個激動人心的機會，去研究新的物理學領域，並瞭解宇宙在恆星形成的早期階段是什麼樣子。未來幾年基於太空和地面的觀測應該能夠使我們揭示這些最非凡的怪獸的詳細性質。天文學家再也不能把爆發說成是完全的謎團，但這並不意味著謎題已經完全解開。
作者
尼爾·格雷爾斯、路易吉·皮羅 和 彼得·J. T. 倫納德 將觀測和理論相結合，對伽馬射線暴進行研究。格雷爾斯和皮羅主要是觀測者——他們分別是康普頓伽馬射線天文臺和 BeppoSAX 衛星的首席科學家。倫納德是一位理論家，和大多數理論家一樣，他過去認為伽馬射線暴不太可能亮到足以在浩瀚的星系際空間中被觀測到。“我不得不承認，伽馬射線暴真的讓我迷惑了，”他說。格雷爾斯是 NASA 戈達德太空飛行中心天體粒子物理實驗室的主任，也是雨燕衛星的首席科學家。皮羅是羅馬 INAF（國家天體物理研究所）空間天體物理和宇宙物理研究所的研究主任。倫納德在 ADNET 系統工作，支援戈達德的任務。