伽瑪射線暴 （英語：Gamma-ray burst GRB ），又稱伽瑪暴 ，是來自遙遠星系 、能量極高的爆炸的光芒。伽瑪射線暴是宇宙 中自大爆炸 以來能量和光度都最高的電磁脈衝 事件。[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 伽瑪射線 閃光過後，還會留下時間更長、波長更長的「餘輝」（X光 、紫外光 、可見光 、紅外光 、微波 乃至無線電波 ）。[ 5]
大質量恆星 生命歷程藝術示意圖。恆星內部的輕元素核融合 成為重元素，當這一過程無法再抵抗重力時，恆星會驟然坍縮，形成黑洞 ，並沿著旋轉軸噴發大量能量，是為伽瑪射線暴。當一顆大質量恆星 到達生命晚期時，會內爆形成中子星 或黑洞 ，這一爆炸過程稱為超新星 或超高光度超新星 中子星碰撞 的事件。[ 6]
伽瑪射線暴的來源星系都在數十億光年 之遙，意味著此類爆炸事件的能量極高（爆炸在幾秒鐘內所釋放的能量就足以超過太陽 在其百億年生命中所釋放的能量總和），[ 7] [ 8] 銀河系 以外，不過有一種類似的稱為軟伽瑪射線重複爆發源 的爆發現象，則是來自於銀河系內的磁星 。科學家推測，假如在銀河系內發生伽瑪射線暴，而且爆發的輻射對向地球，這將造成生物集群滅絕 。[ 9]
1967年，原本設計用於探測秘密核武器試驗 的帆船號衛星 [ 10] 彗星 互相碰撞或中子星 互相碰撞等等。[ 11] 光譜學 分析可見光餘輝的紅移 ，就可推算爆發來源的距離和總能量。再結合對星系和超新星 的研究後，科學家終於能準確測量伽瑪射線暴的確切距離和光度 ，並且斷定此類事件的確源於遙遠的星系。
BATSE 實驗所探測到的所有伽瑪射線暴來源方向。爆發源的分佈具有各向同性 ，並不集中於銀河系平面（圖的中間橫線）。1963年，包括美國和蘇聯在內的多國簽署《部分禁止核試驗條約》，但美國懷疑蘇聯仍然在秘密進行核試驗。因此，美國發射了一系列名為帆船號衛星 [ 12] 世界協調時 1967年7月2日14時19分，帆船3號和4號衛星探測到了一次伽瑪射線閃光，但它卻和所有已知的核爆特徵截然不同。[ 13] 洛斯阿拉莫斯國家實驗室 由雷·克勒貝薩德爾 [ 13] [ 14] [ 10]
早期針對伽瑪射線暴的猜想大多都把來源定在銀河系以內。從1991年起，康普頓伽瑪射線天文台 （CGRO）所承載的爆發與暫現源探測儀（BATSE）記錄了上千次伽瑪射線暴，發現這些爆發事件來自於宇宙各個方向，而並不集中於任何一個方向，亦即爆發源的分佈具有各向同性 。[ 15] [ 16] [ 17] [ 18] [ 19] [ 16] [ 20]
2018年10月，天文學家宣佈，2017年發生的伽瑪射線暴GRB 150101B 重力波 事件GW170817 很可能都是兩顆中子星碰撞 所產生的。這兩件事件在伽瑪射線 、可見光 和X光 特徵，乃至其所在星系的特性都有十分相似之處。因此，中子星碰撞事件所引發的千新星 可能比科學界最初所預計的更為常見。[ 21] [ 22] [ 23] [ 24]
2019年爆發的GRB 190114C TeV （一萬億 電子伏特），是人類探測到能量最高的伽瑪射線暴。[ 25] [ 26]
在伽瑪射線暴發現後的幾十年間，天文學家曾試圖通過伽瑪射線以外的電磁波 觀測爆發來源天體，也就是在最近期發生過爆發的方向尋找對應的天體。考慮在內的有各種天體：白矮星 、脈衝星 、超新星 、球狀星團 、類星體 、西佛星系 和蝎虎座BL型天體 等。[ 27] [ nb 1] [ 28] [ 29] [ 30]
義大利和荷蘭合建的BeppoSAX衛星 在1996年4月升空，它能夠準確測量伽瑪射線暴的來源方向，有助天文學家作後續觀測並判斷來源天體。 有多個解釋伽瑪射線暴原理的模型都預測，在最初伽瑪射線閃光過後，爆炸產生的噴發物與星際物質 高速碰撞，會產生波長較長、逐漸減弱的「餘輝」。[ 31] BeppoSAX衛星 探測到GRB 970228 事件[ nb 2] 威廉·赫歇耳望遠鏡 也在原爆發的20小時之後，探測到了逐漸變暗的可見光餘輝。[ 32] [ 33] [ 34]
由於該星系的光度太暗，因此天文學家在接下來的幾年間都未能測量出其距離。同年，BeppoSAX衛星又測得新的事件GRB 970508 。天文學家在僅僅4小時以內就算出它的方向，因而可以更早地開始進行針對性觀測。從爆發源吸收光譜 所得出的紅移 值為z = 0.835，相等於距離地球60億光年 。[ 35] [ 33] [ 36] GRB 980425 SN 1998bw ，而且兩者的來源位置相同。科學家從而發現，伽瑪射線暴是和大質量恆星的爆炸息息相關的。[ 37]
美國國家航空暨太空總署 尼爾·格雷爾斯雨燕天文台 ，2004年11月升空雖然康普頓伽瑪射線天文台 和BeppoSAX衛星分別在2000年和2002年退役，但天文學界此時對伽瑪射線暴這一新興領域興致勃勃，研發出一系列專門針對伽瑪射線暴的探測儀器，特別用於觀測緊隨著爆發所發生的後續事件。高能暫現源探測儀 [ 38] 尼爾·格雷爾斯雨燕天文台 （Swift）截至2022年仍在服役，是最成功的太空觀測實驗之一。[ 39] [ 40] 費米伽瑪射線太空望遠鏡 （簡稱費米）在一年內能夠探測到數百次爆發，其中光度和能量極高的爆發可以用它搭載的大面積望遠鏡觀測。科學家還對不少地面上的可見光望遠鏡做了升級，為它們安裝了能夠快速響應伽瑪射線暴坐標網絡 [ 41] [ 42]
自從2000年代以來，天文學家對伽瑪射線暴有了更深入的了解。第一是意識到短伽瑪射線爆發現象很可能和超新星無關，而是中子星碰撞合併所致。第二是發現大部分伽瑪射線暴之後會有X光不穩定閃爍的現象，持續幾分鐘。第三是發現宇宙中最亮的天體（GRB 080319B ）和當時已知最遙遠的天體（GRB 090423 ）。[ 43] [ 44]
伽瑪射線暴的光變曲線 伽瑪射線暴的光變曲線 種類繁多，[ 45] [ 46] 伽瑪射線暴前體 [ 47] [ 30]
儘管科學家能夠利用某些簡化的模型推導出大約類似的光變曲線，[ 48] [ nb 3] 雙峰 特徵，意味著存在兩大類爆發：一類為平均0.3秒長的短爆發，另一類為平均30秒長的長爆發。[ 49] [ 50] [ 51] [ 52] [ 53]
哈伯太空望遠鏡 拍攝的千新星 爆發餘輝。[ 54] ALMA 拍攝的GRB 211106A，這是科學家首次拍到短伽瑪射線暴的毫米波長餘輝。[ 55] [ 56] [ 57] 短伽瑪射線暴指的是持續時間不到2秒的伽瑪射線暴。此類爆發佔所有爆發的三成左右。2005年以前，科學家從未觀測到來自短爆發的餘輝，因此對此類爆發的來源所知甚少。[ 58] 橢圓星系 和大型星系團 的中心區域，[ 59] [ 60] [ 61] [ 62] [ 63]
科學家最初推測，短爆發是兩顆中子星相互碰撞[ 64] 黑洞 相撞的結果。此類碰撞所產生的爆發星體稱為千新星 。[ 65] [ 66] [ 67] [ 68] 狹義相對論 訊息不可超越光速傳遞的原理，短爆發之短又意味著爆發源天體的體型必定是小的。爆發時長為0.2秒，即爆發源的直徑不超過0.2光秒（約6萬公里，地球直徑之四倍）。中子星在2秒以內落入黑洞並發出伽瑪射線之後，其環繞黑洞公轉的剩餘物質（將不再是中子物質 ）將在數分鐘至數小時內逐漸墮入黑洞，並發出X光。這能夠解釋天文學家所觀測到的X光餘輝。[ 58]
一部分短伽瑪射線暴可能來自鄰近星系中的軟伽瑪射線重複爆發源 的大型耀斑。[ 69] [ 70]
2017年，科學家探測到重力波事件GW170817 ，並且在僅僅1.7秒之後又探測到短伽瑪射線暴GRB 170817A 。在詳細分析後，科學家確定此次事件來自兩顆中子星碰撞所產生的千新星。[ 6] [ 64]
伽瑪射線暴中有七成屬於長伽瑪射線暴，即爆發時長超過2秒者。此類爆發持續時間之長、餘輝之強，有助於詳細觀測，所以相比短爆發來說，科學家對長爆發了解得更加深入。幾乎每一個經過詳細分析的長伽瑪射線暴都源自於正在快速生成恆星的星系，甚至有的能追溯至核塌縮超新星 。因此，可以斷定長爆發的來源是死亡過程中的大質量恆星。[ 71] 紅移 長伽瑪射線暴的餘輝之後，也發現此類爆發源自於恆星形成的區域。[ 72]
超長伽瑪射線暴指的是位於時長分佈最尾端的長伽瑪射線暴，其持續時間超過若干個小時。有科學家主張，此類爆發應另歸一類，是由藍超巨星 的坍縮[ 73] 潮汐瓦解事件 [ 74] [ 75] 磁星 所致。[ 74] [ 76] GRB 101225A GRB 111209A 等。[ 75] [ 77] [ 78] [ 75] [ 79]
恆星生成區發生伽瑪射線暴的藝術示意圖。爆炸產生的能量形成兩條狹窄的射束，向相反方向射出。 雖然伽瑪射線暴源都極其遙遠，但它從地球上觀測卻光度很高。一般長伽瑪射線暴的全波段絕對星等 和銀河系內一顆較亮的恆星相當，儘管前者有數十億光年之遙，而後者（大部分肉眼可見恆星）只有幾十光年左右的距離。大部分能量以伽瑪射線的形式釋放，某些伽瑪射線暴也會伴隨著光度很高的可見光爆發。例如，GRB 080319B 離地球75億光年，但伴隨它的可見光爆發視星等為5.8，[ 80] 太陽的質量 ，即通過質能等價 關係把整個太陽的質量都轉化為輻射。[ 43]
伽瑪射線暴是高度聚焦的爆炸事件，大部分爆炸能量都集中於準直光束 噴流 。[ 81] [ 82] 相對論性光束 [ 83] [ 84] [ 85]
由於爆發的能量是高度聚焦的，因此絕大部分爆發事件的光束都不朝向地球，也探測不到。當爆發光束正好朝向地球時，探測到的光度會比球對稱的爆炸高得多。考慮到這一聚焦效應，一般伽瑪射線暴所釋放的能量大約為1044 J ，約等價於太陽質量的二千分之一，[ 85] 41 J）高許多倍。這和Ib和Ic超新星 所釋放的能量相近，亦符合理論模型。科學家曾觀測到幾個距離較近的伽瑪射線暴和高光度超新星同時爆發的現象。[ 37] [ 86] [ 87]
相比長伽瑪射線暴來說，短伽瑪射線暴離地球較近，光度較低。[ 88] [ 89] [ 90]
沃爾夫–拉葉星 WR 124 及其周圍的星雲，由哈伯太空望遠鏡攝。沃爾夫–拉葉星很可能是長伽瑪射線暴的前身天體。大部分伽瑪射線暴源離地球遙遠，因此很難判斷是哪一種天體發生爆發的。某些長伽瑪射線暴和超新星相關，其來源星系也是活躍的恆星生成區，這都意味著長伽瑪射線暴與大質量恆星密切相關。最廣為接受的坍縮星 模型主張，當質量極大、金屬量 低、高速自轉的恆星在演化 生命晚期，星核坍縮成為黑洞 時，會發生長伽瑪射線暴。[ 91] 吸積盤 ，並沿旋轉軸噴出兩束相反的相對論性噴流 ，噴流衝破恆星外層，輻射出伽瑪射線。也有其他模型主張恆星坍縮形成的是磁星 而不是黑洞，其餘生成過程基本不變。[ 92] [ 93]
在銀河系裡，沃爾夫–拉葉星 和此類恆星最為相似。沃爾夫–拉葉星溫度極高、質量極高，其氫外層幾乎已散失殆盡。從這一角度來看，海山二 、阿佩普 、WR 104 都有在未來發生伽瑪射線暴的可能性。[ 94] [ 95]
大質量恆星並不能解釋所有的伽瑪射線暴事件。有證據顯示，某些短伽瑪射線暴是在非恆星生成區或不含大質量恆星的區域發生，例如橢圓星系和銀暈 。[ 88] 重力波 而喪失能量並逐漸靠近，[ 96] [ 97] 潮汐力 突然撕裂，兩者碰撞後形成一顆黑洞。物質向剛形成的黑洞墮落並形成吸積盤，同時釋放出巨大的能量，這一階段和坍縮星模型相似。其他還有林林總總解釋短伽瑪射線暴的模型，包括：中子星和黑洞合併，吸積盤引發中子星坍縮，原初黑洞 蒸發 ，重力坍縮過程中的物質在黑洞事件視界 外徹底瓦解成伽瑪射線，等等。[ 98] [ 99] [ 100] [ 101] [ 102]
2011年3月28日，尼爾·格雷爾斯雨燕天文台 探測到GRB 110328A ，發現了新一類伽瑪射線暴。此次事件的伽瑪射線放射時長為2天，比長伽瑪射線暴都要長得多，而且它在X光波段的放射持續了許多個月。爆發來源於紅移z = 0.35
此類伽瑪射線暴的原理是，恆星運行至超大質量黑洞 附近，被黑洞撕裂，在某些情況下會產生有強烈伽瑪射線輻射的相對論性噴流。科學家最早提出，GRB 110328A（亦稱雨燕J1644+57）是一顆主序星 和質量為太陽的數百萬倍的黑洞互動的結果；[ 103] [ 104] [ 105] 白矮星 被質量為太陽數萬倍的黑洞瓦解的結果。[ 106]
伽瑪射線暴的原理示意圖 伽瑪射線暴是如何把巨大的能量轉換為電磁輻射，直至2010年還沒有科學共識。[ 107] [ 108] [ 109] GRB 990123 和GRB 080319B 的可見光爆發的觀測表明，[ 80] [ 110] 逆康普頓散射 為主。這一模型主張，原先存在的低能光子被爆炸中的相對論性電子散射，突然獲得巨大的能量，成為伽瑪射線。[ 111]
相對來說，科學家對伽瑪射線暴後的長波長餘輝（從X光至射電波）有更好的了解。沒有即時轉化為輻射的爆炸能量，就會以高速物質的形式存在，以接近光速的速度向外噴出，並與周邊的星際物質 碰撞，所產生的相對論性衝擊波 繼續向星際空間進發。反彈回來的二次衝擊波有可能再次進入向外進發的物質。衝擊波內能量極高的電子在磁場的作用下加速，發出橫跨大部分電磁波譜 的同步輻射 。[ 112] [ 113] [ 114]
格林威治標準時間 2015年10月27日22時40分，雨燕天文台累計發現了1000次伽瑪射線暴。[ 115] 伽瑪射線暴對生命有害，甚至有摧毀性的破壞力。地球位於銀河系的外圍，而在整個宇宙當中，適合生命繁衍的環境也正正是大星系外圍密度較低的區域。從各類型星系的分佈可以推算出，只有約10%的星系可以繁衍生命。而且，z 大於0.5的高紅移星系會高頻率發生伽瑪射線暴，恆星也過於密集，因此不宜生命。[ 116] [ 117]
至今科學家觀測到的伽瑪射線暴都源自銀河系以外極其遙遠的地方，對地球沒有任何威脅。不過，假如在銀河系內離地球5千至8千光年處發生一次伽瑪射線暴，[ 118] GRB 980425 ，距離為4千萬秒差距（即1億3千萬光年，紅移z = 0.0085[ 119] [ 120] SN 1998bw 相關。[ 121]
估算伽瑪射線暴的確切發生頻率並不容易。在一個銀河系 大小的星系裡，長伽瑪射線暴的發生頻率估計為一萬年一次到一百萬年一次，[ 122] [ 123]
由於伽瑪射線暴只會沿方向相反的兩束噴流發出能量，因此只有在噴流方向的天體才會受到高能伽瑪射線的放射。[ 124]
雖然在地球附近發生直指地球的摧毀性伽瑪射線暴目前只是一個理論可能，但可以肯定的是，銀河系內其它高能量現象已經對地球的大氣有所影響。[ 125]
地球的大氣層可以有效吸收X光和伽瑪射線等高能電磁輻射，所以在爆發過程中在地表所接受的輻射量不會達到危險的程度。假如在數千秒差距 距離內發生伽瑪射線暴的話，它僅僅會使地表的紫外線水平短暫上升，持續時間最短不到一秒，最長也只有幾十秒。根據爆發的特徵和距離，紫外線有機會達到危險水平，但仍然不太可能對地球生命直接構成災難性的威脅。[ 126] [ 127]
相反，伽瑪射線暴在長時間段裡的影響會危險得多。伽瑪射線會對大氣中的氧氣 和氮氣 分子 產生化學反應，先生成一氧化氮 ，再而生成二氧化氮 ，此二者有以下三個層面的危害性。第一，它們會破壞臭氧層 ，使全球臭氧 量減少25至35%，有些地區甚至會減少75%，狀況將持續許多年，使得地表紫外線指數 長期處於危險程度。第二，它們在與陽光反應後會形成光化學煙霧 ，阻擋部分太陽光，進而影響植物的光合作用 。然而科學模型顯示，這一效應只會對太陽全光譜造成1%左右的下降，持續幾年。煙霧則有可能使全球降溫，造成和撞擊冬天 原理相似的「宇宙冬天」，但只有在湊巧同時出現全球氣候不穩定的前提下才會發生。第三，大氣層裡的二氧化氮會和雨水結合形成酸雨 ，即含有硝酸 的雨水。雖然硝酸對各種生物都是有害物質，但是有模型預測，硝酸濃度不足以造成嚴重的全球性危害。再進一步產生的硝酸鹽 反而可能對某些植物有益。[ 126] [ 127]
總結來說，在幾千秒差距 內發生的伽瑪射線暴，就算其能量束正對地球，也最多只會在爆發期間以及之後幾年提高地表的紫外線水平。從模型可預計，DNA 所受到的破壞將是一般情況下的16倍。然而，目前的生物學還不具備預測這一效應對地球生態的確切影響的能力。[ 126] [ 127]
有科學家推測，在過去50億年曾發生過嚴重破壞地球生命的近距離伽瑪射線暴的機率非常高，而在過去5億年曾發生過爆發並造成其中一次生物集群滅絕 事件的機率為50%。[ 128]
4億5千萬年前發生的奧陶紀－志留紀滅絕事件 有可能就是伽瑪射線暴所致。在奧陶紀 晚期的各個三葉蟲 種群當中，生活在充滿浮遊生物 的海洋表面的種群最受打擊，反而生活在深水、活動空間較狹窄的種群得以生存。這種滅絕特徵有別於其他的集群滅絕事件，因為分佈廣闊的物種通常會比分佈局限的生物更容易存活。因此有科學家認為，深水三葉蟲受到了水屏障的保護，免受伽瑪射線暴所帶來的紫外線摧殘。同樣支持這一觀點的證據還有：奧陶紀晚期的雙殼綱 物種當中，挖洞的比在表面生活的更容易度過此次滅絕事件。[ 9]
除此之外，有科學家論證，774年至775年間碳14飆升 現象是一次短伽瑪射線暴所致。[ 129] [ 130] 耀斑 所致。[ 131]
由恆星坍縮引發的短伽瑪射線暴臆想圖。[ 132] 科學家從未觀測到來自地球所處的銀河系 以內的伽瑪射線暴。[ 133] 高光度藍變星 和高速自轉的沃爾夫–拉葉星 都被認為會以星核坍縮超新星的形式死亡，並伴隨長伽瑪射線暴。需要謹慎的是，科學家目前對伽瑪射線暴的了解全部來自宇宙歷史 長河中較早期的星系，而此類星系的金屬量 很低，很難把其中恆星的演化過程直接套用於銀河系這類金屬量較高的後期星系。[ 134] [ 135] [ 136]
例外的是1979年3月5日爆發的GRB 790305b 大麥哲倫星系 內的超新星遺骸N49 。今天科學家認為此次事件是一次磁星 大型耀發 軟伽瑪射線重複爆發源 ，而不是「真正」的伽瑪射線暴。 伽瑪射線暴的命名方式如下：GRB是伽瑪射線暴的縮寫，其後是各兩位數的年、月、日，再接著是以字母代表當天發現的伽瑪射線暴順序，A為當天首個，B為當天第二個，如此類推。2010年之前發生的伽瑪射線暴只有在當天探測到多於一次爆發事件時，才會附上字母順序。
爆發時長一般以T90定義，即爆發源釋放能量 總值的90%所需的時間。天文學家發現，有些原以為是短爆發的伽瑪射線暴，其發生後還會出現一次更長的爆發。如果把後者納入到光變曲線之內，所得的T90值就會延長至幾分鐘。
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