探索奇妙宇宙现象

这些极端宇宙爆炸现象正在挑战现有物理学理论。

天文学家终于开始了解是什么驱动着神秘的伽马射线暴

尼克洛卡诺瓦

宇宙中存在着前所未见的天象。在其它天体上出现的半透明极光。在猎户座大星云中出现的坍缩恒星。呈火焰般边缘出现、疑似黑洞的天体。但这些都远不足以比拟一位天体物理学家所描述的宇宙中能量怪兽的强大力量。

天文台偶尔会观测到一些奇特的闪光，它们出现在宇宙遥远的边缘。这类剧烈爆发会向宇宙中喷射出强烈的辐射和接近光速的高能粒子束。在最初的伽马射线暴之后，大量辐射涌入周围星系，形成极为明亮的余辉，其光芒覆盖整个电磁波谱。

尽管这些现象与各类科幻作品中的超级武器有许多相似之处，但它们实际上是完全自然的爆发事件，被称为伽马射线暴（GRB）。路易斯安那州立大学天体物理学家埃里克伯恩斯称，它们无疑是宇宙中最为极端的现象。

超新星是质量最大的恒星走向死亡时的壮观现象，其能量极其巨大。然而，与伽马射线暴相比，它们就像烟花一样微不足道。据马里兰大学帕克分校的天体物理学家布伦丹奥康纳介绍，伽马射线暴通常释放的能量相当于一百万、一万亿、一万亿倍于广岛原子弹的威力。在短短几秒钟内，它们辐射出的能量就相当于太阳在其整个生命周期中所释放的总能量。

这些既令人恐惧又引人入胜的事件，或许隐藏着理解宇宙的一些秘密。其中涉及的物理现象极其奇特，西北大学的天体物理学家查理基尔帕特里克表示。某些伽马射线暴能够产生元素周期表中一些最重的元素，包括黄金。而它们极端且陌生的物理特性，可能帮助科学家揭示第一代恒星和首批星系是如何形成的。哈佛史密森天体物理中心的天体物理学家彼得布兰查德指出，这些事件释放出的光芒可以作为探测遥远宇宙的工具。

AstronomersarepuzzledabouthowGRBswork.Inthedecadessincetheobjectswerefirstdiscovered,scientistsknittedtogetherapicturethattheythoughthandilyexplainedthem.Butinthepastfewyearstheyarnhasbegununwinding.TworecentlydiscoveredlonglastingGRBs,whichwerethoughttoarisefrommassiveexplosions,seemtolackthetraditionalsignsofablast.AnotherGRB,byfarthebrightestoneeverobserved,didnotappeartomakeanyoftheexpectedheavyelements.

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接着一场持续七小时的伽马射线暴出现——如同一把无法关闭的死星级能量光束，持续轰击，完全违背了现有理论。这简直颠覆了我们对伽马射线暴成因的所有认知。这几乎打破了我们过去所了解的一切关于伽马射线暴形成机制的观点，马里兰大学学院帕克分校的天体物理学家吉莉安拉斯坦杰德表示。

尽管每天都能探测到约一次此类爆发，科学家们仍在努力寻求答案。如果无法找到合理解释这些爆发的方法，他们或许会发现伽马射线暴正揭示出我们对宇宙的认知中比预想更为深层的缺陷。

Gammarayburstsarearelativelyrecentdiscovery.DuringtheColdWar,theU.S.wantedtoknowwhethertheSovietUnionwassecretlytestingnuclearweapons.Inthe1960s,AmericalaunchedtheVelafleetofsatellites,whosesolepurposewastoobserveEarth’ssurfaceandsearchforanytelltaleneutrons,xrays,andgammarays—extremelyhighenergyparticles—comingfromanuclearexplosion.

令人担忧的是，1967年7月2日，两颗维拉卫星探测到的现象，其特征极似核爆炸。然而经过进一步分析，辐射模式与核爆特征并不完全吻合。更奇怪的是，信号似乎来自太空。从1969年7月至1972年7月期间，科学家在维拉卫星数据中发现了16次类似事件，均伴有强烈的伽马射线。这些数据曾令专家困惑不已，最初被列为机密。1973年，在确认这些辐射并非来自秘密的苏联武器后，相关结果向公众公布——但科学家仍无法解释这些爆发的成因，它们后来被命名为伽马射线暴。

那同年，首次揭示引力波事件（GRBs）存在的科学家之一、隶属于秘密实体劳伦斯阿尔沃斯国家实验室的雷克莱斯达塞尔，曾在美国天文学会会议上做演讲。随后，来自《全国刺客报》的记者向他提问，是否可能引力波事件源自外星文明相互毁灭。此外，美国国家航空航天局（NASA）的研究员查尔斯chip迈根开始从关注该现象的公众了解到引力波事件。他在2002年播出的PBS纪录片中回忆道：我曾接到一通电话，对方不仅了解了该事件的成因，还掌握了停止其发生的方法。我当即决定必须马上去开会。

科学家可能会发现，伽马射线暴正在暴露我们对宇宙的认知中比我们想象的更深层次的缺陷。

为了探寻真相，航天机构发射了观测站，用于研究伽马射线暴（GRBs）等天体现象，包括美国国家航空航天局的康普顿伽马射线天文台和欧洲空间局的积分卫星。美国国家航空航天局在21世纪初又陆续部署了费米伽马射线空间望远镜与斯威夫特天文台。综合这些设备的观测数据，科学家们确认伽马射线暴并非源于外星文明冲突，而是源自宇宙中剧烈天体毁灭事件。

Bythe2000sscientistshaddetectedthousandsofGRBs,andresearcherssuspectedtheywerebeingcreatedbytwoclassesofobjects.Thefirstwascollisionsofneutronstars—verydense,rapidlyspinningorbsjustadozenorsomilesacross,madefromtheleftbehindcoresofmassivestarsthathaddied.Thesecondwascollapsingsupermassivestars,whichendtheirlivesassupernovae.Botheventsarethoughttogenerateblackholes,atleastmostofthetime.

伽马射线暴来自这些庞然大物时，并非向所有方向发射伽马射线，而是主要以高度集中的喷流形式释放出难以想象的强大辐射。这些喷流极为炽热，包含等离子体和粒子以接近光速向外运动。布姆斯表示。尽管这些喷流的具体成分尚未完全明确，但科学家推测其中可能包含电子、正电子（电子的反物质对应体）以及或许还有质子，它们沿着旋转的磁场线被牵引并从黑洞两极喷射而出。通常会形成两个喷流，但我们只能观测到其中一个。奥康纳说。

如果其中一束喷流恰好指向地球，我们就会探测到伽马射线暴。在大多数情况下，由于喷流指向其他方向，我们可能完全错过它们。而当有一束确实朝向我们时，它通常来自数十亿光年之外，因此我们的星球只会接收到极少量的这种毁灭性辐射。当喷流向外喷射时，它们会撞击周围的星际物质，产生各种辐射——从X射线、可见光到无线电波——并向宇宙中扩散，形成一种诡异的余辉，这种余辉可以持续数小时、数月甚至数年。

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在2000年代，科学家将伽马射线暴分为两大类：短时伽马射线暴（简称短暴），持续时间不超过两秒；长时伽马射线暴（简称长暴），持续时间可达数十秒。长暴占伽马射线暴的大多数，通常与超大质量恒星坍缩有关；短暴则与两颗中子星碰撞有关。

短星和长星的区别在于质量。在两种情况下——中子星合并和超大质量恒星坍缩——恒星物质都会被抛射到太空中，同时黑洞形成。在这两种情况下，这些物质最终会落到黑洞上，其中一部分从黑洞的两极被发射出去，形成我们所说的伽马射线暴。但坍缩的超大质量恒星正如其名，是庞然大物：它们拥有大量质量，使得其喷流能够持续一段时间。中子星质量较小，所以当它们相撞时，产生的伽马射线暴持续时间较短。"落到黑洞上的物质数量实际上是决定喷流持续时间的主要因素，"拉斯坦尼贾德说。

但即使伽玛射线暴只持续几毫秒，它们在那短短的瞬间内，却是宇宙中最剧烈的能量事件，俄勒冈大学的物理学家和天文学家伊薇特森德斯表示。这确实让它们成为超级武器——只不过不是那种由任何银河帝国所掌控的武器。

美国在20世纪60年代发射了维拉卫星，用于探测核爆炸的迹象。这些卫星首次发现了伽马射线暴的迹象。美国能源部

美国能源部

科学家此前推测，伽马射线暴（GRB）的辐射束可在200光年范围内将任何物体彻底气化。幸运的是，此类爆发通常发生在遥远的、恒星形成活动极为剧烈的星系中，而迄今尚未在更为成熟的银河系内观测到类似事件。但倘若地球极其不幸地正对一束喷流，即便该爆发源距离我们仅有数千光年，我们的处境也将极为严峻。

布莱恩托马斯是堪萨斯州瓦什伯恩大学的一名物理学家和天文学家，他研究过此类事件可能发生的情况。地球不会完全熔化，但在如此近距离下，喷流的能量在穿越太空时几乎不会消散。它将撞击地球的大气层并分解氧气和氮气分子，导致大量氮氧化物生成。这些化合物会迅速破坏平流层中的臭氧，而臭氧正是过滤太阳有害紫外线的屏障。据托马斯估计，大约十年时间内，地球表面将承受远超现今水平的紫外线辐射。对这种强烈辐射不具抵抗力的生物——从微生物、农作物到鲸鱼和人类——都将遭受近乎剧烈的晒伤。这一事件可能引发生态系统的崩溃，甚至导致大规模物种灭绝。情况会很糟糕，托马斯轻描淡写地说道。但这类撞击发生的概率极低，几乎可以忽略不计，因此我们无需担忧。相反，科学家们认为伽马射线暴并非毁灭者，而是揭示宇宙演化历程的重要线索。

伽马射线暴可能是理解宇宙基本构成要素起源的关键。

大爆炸使宇宙中充满了氢和氦，这些元素在恒星内部通过核聚变反应合成了许多更重的元素，直到铁为止。然而，恒星的核合成过程到此为止。要形成其余的元素，需要更加极端的条件。

许多最重的元素只在存在大量自由中子以高速撞击原子核的环境中形成，这一过程被称为快速中子俘获过程，简称r过程。大约一半比铁更重的元素被认为是在r过程中产生的，包括金、铂、钍、铀和碘等物质。周期表中的大量元素都是由r过程产生的，布兰查德说，我们在地球上发现了这些元素，但它们并非在地球上形成。

碘是动物必需元素：它是甲状腺激素的必要成分，负责调节代谢。铀是地球地核的关键元素之一，赋予其热量，促成从板块运动到火山活动等一切发生。金是多种文化中备受珍视的商品，也用于电子产品。因此，原过程元素有助于塑造出看似真实的生命，Rastinejad表示。

星系合并和超质量恒星坍缩都是r过程的理想观测条件，因此研究引力波中子星并合过程可能有助于揭示重元素起源机制。其后盾光可类比为灯泡，可照亮起源遥远的远古星系，包括大爆炸后仅数亿年的星系。

宇宙起源理论大突破：2017年，美国LIGO与意大利伏尔多Virgo引力波观测实验捕捉到星体撞击时空涟漪的异常信号，8月17日催发声学脉冲，随后NASA费米空间望远镜捕捉到同地点伽马射线爆发，命名为GRB170817A，经命名拟为光效。

灯泡还伴随着一次千新星爆发，这是一种涉及大量中子的强烈辐射爆发——正是这些中子能够启动r过程，合成所有那些重元素。一项计算表明，灯泡产生的金和铂总量足以堆成一座质量是地球10倍的闪亮山丘。这一观测似乎为伽马射线暴及其两种形成机制的完整理解画上了圆满的句号。2021年，当时拉斯蒂内贾德还是一个刚入门的博士生，有人告诉她，关于伽马射线暴的故事基本上已经讲完了。然而就在那年12月，天空中又出现了一丝新的光芒。宇宙突然给天文学家们出了个意想不到的难题。

新的爆发事件，命名为GRB211211A—由Fermi和Swift探测到，在一个距离我们11亿光年的星系中发生—持续了50秒。该事件是一个经典的长时间伽马射线暴，由超新星引发，对吗？

当拉斯蒂内贾德和她的同事们使用夏威夷和亚利桑那的望远镜观测这一源时，他们原本期待看到一颗垂死恒星的耀眼光芒。然而，他们却发现太空被一种深红色的光芒浸染。看起来，爆炸产生的较蓝光子被一个巨大的电子云吸收，随后重新发射为红光。这种现象通常与重元素的喷发有关——这些元素是在中子星碰撞及其引发的千新星爆发中形成的。天啊，这太惊人了，拉斯蒂内贾德回忆道，我们全都激动不已。

他们的研究证实，事件中并未发生超新星爆发，也未出现超大质量恒星的坍缩。时至今日，仍无人能对这一现象给出确凿可靠的解释。观测特征显示，它看似由两颗中子星并合所引发，并产生了一次持续时间相对较长的伽马射线暴。但令人费解的是，两颗体积极其微小的中子星，如何能提供足够物质来维持长达50秒的一对喷流？人们将长期争论，究竟是什么真正引发了这次爆发，奥康纳表示，我们只知道，发生了某种异常现象。但那到底是什么呢？

一个kilonova的形成不需要两个中子星，如果涉及黑洞，仅需要其中一个。当时，Rastinejad及其同事好奇，黑洞的引力是否撕扯出伴生中子星，如同无形之力将其撕裂。这一过程会触发kilonova，同时释放大量物质，该物质随后会掉落至黑洞，并支撑更持久的喷流活动。

有史以来最明亮的伽马射线暴（BOAT）在哈勃太空望远镜拍摄的这张图像中以圆圈标出。NASA、ESA、CSA、STScI、A.Levan荷兰奈梅亨拉德堡德大学；图像处理：GladysKober

美国航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、太空望远镜科学研究所、A.Levan奈梅亨拉德布德大学；图像处理：格拉迪斯科伯

但近期，拉斯坦内贾德的团队一直在探索一种新理论。科学家们推测，两颗中子星确实发生了碰撞，但不仅如此：碰撞还形成了一个巨大的恒星物质盘环绕在并合产物周围，使得大量物质持续螺旋式向内坠落，为喷流提供了更长时间的能量供给。至少在我看来，这是目前最合理的模型。该团队成员基尔帕特里克表示。

其他人，包括伯恩斯，并不完全信服。喷射出的物质在约百分之一秒内坠落到致密的中子星上。喷流本应始终短暂。科学家观测到了千新星，因此多数人推测至少有一颗中子星参与其中。但伯恩斯认为：我认为第二个天体是一颗白矮星。白矮星是中等质量恒星（如我们的太阳）死亡后留下的核心残骸，已熄灭。由于体积远大于中子星，白矮星被吞噬所需时间要长得多。他指出，这或许能解释为何该伽马射线暴持续时间更长。总之，GRB211211A——我们姑且称它为炸毁一切认知的炸药——让所有研究者都感到困惑。

随后，费米望远镜又探测到另一次爆发事件——持续时间达200秒，且未伴随超新星现象。GRB230307A（又称篝火）与爆竹极为相似，奥康纳称其基本是‘爆竹’的孪生体。此时詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）已投入运行。爆发被发现后，天文学家立即调用该望远镜对篝火进行观测，并借助其红外仪器探测到了碲元素发出的光——这是一种r过程元素，由此高度表明，篝火事件涉及中子星，并以某种方式产生了长时标伽马射线暴。

两次事件都揭示了长时标和短时标伽马射线暴的旧模型存在漏洞。对于篝火和炸药现象，目前尚无明确的解释。在两次事件发生期间，LIGO和Virgo引力波探测器因维护而关闭。如果当时它们处于运行状态，或许就能揭示第二次碰撞物体的身份，无论它们是什么。这真是个大遗憾，拉斯坦尼贾德说。

Thisastronomicalmisfortune,though,wasmitigatedbyaneventsandwichedbetweenDynamiteandBonfireGRB221009A,theOlympicchampionofGRBs.OnOctober9,2022,somethingexploded2.4billionlightyearsawayfromEarth.Despitethedistance,itsjetsuckerpunchedourplanet.Formorethan10minuteswewerehammeredwithgammarays.Theupperatmosphererecoiledsoviolentlythatradiocommunicationsweredisrupted.LightningdetectorsinIndialitupbecauseofit.Andvariousgammarayobservatoriesinorbitweresaturatedandblindedbythetorrentofincomingradiation.

这事件的惊人光芒令天文学家惊叹，他们认为此类强度的宇宙爆发现象，平均每1万年才会撞击地球一次。其余光也异常炽热，仅数月之后，詹姆斯韦伯空间望远镜便定位出该超新星。克利帕特称其令人震撼，堪称有史以来最具内在能量的现象。

天文学家自行命名了GRB221009A，将其称为史上最亮，或舰队。其成因清晰可辨：远古时期，一颗质量约为太阳30倍的大质量恒星坍缩并消亡，最终形成黑洞。除亮度外，其整体特征符合典型长脉动伽马射线暴（GRB）的模型。加之距离较近，科学家得以检验伽马射线暴的另一理论。

快中子俘获过程（r过程）产生的元素确实源于中子星并合。然而，这类并合事件过于稀少，难以解释宇宙中重元素的丰度。那么，坍缩的超大质量恒星是否能补足其余部分？科学家曾认为，所谓最亮光学暂现源（BOAT）事件将揭示答案。为此，他们将詹姆斯韦布空间望远镜对准该爆发，期望观测到至少部分重元素存在的证据。我们什么都没看到，布兰查德表示——一丝痕迹都没有。这似乎使天文学家面临一个严峻的元素丰度核算难题。他们迫切希望再观测到数个邻近的、类似BOAT的事件，以便在不止一次的案例中检验这一元素生成理论。倘若这些事件都发生在银河系内，我们便能获得全部答案，奥康纳说道，当然，前提是人类能安然无恙。

去年，天文学家意识到他们遇到了难题。奥康纳表示：我们清楚地知道，我们的分类体系已经错误或过于简化了整整三十年。就在那时，另一个事件——伽马射线暴GRB250702B——以它无与伦比的猛烈姿态展现在世人面前。

2025年7月2日，一道能量相当于1000个太阳、持续燃烧了100亿年的光芒照亮了费米望远镜的探测器，这道光来自一个距离地球约80亿光年的尘埃星系。它的威力强大，但亮度不及BOAT事件。不过，BOAT仅持续了10分钟，对于伽马射线暴来说已经相当持久，而这次事件却延续了至少7个小时，轻松刷新了纪录。我们不妨称这道神秘的光为路西法。更令人惊讶的是，它的持续时间并非唯一的亮点。路西法似乎还呈现出一种脉冲现象——先是变暗，随后又重新亮起，如此反复了三次。一颗恒星不可能在一天之内发生三次爆炸，拉斯蒂内贾德说道。

我们知道，我们的分类体系已经错误了30年——或者说过于简化了。——布伦丹奥康纳，马里兰大学帕克分校

科学家提出了几种可能解释三脉冲的情形，其中一种情况涉及喷流晃动。从地球视角看，喷流会以亮灭交替的方式，刚好朝着地球方向射出，随后逐渐略远，再重新进入视线，这是乔治华盛顿大学研究生ElizaNeights所述的内容。其他快速发光型超新星（GRBs）也可能呈现脉冲特性，因此Lucifer的这一特征对天文学家来说不算过于突兀。不过，其持续时间仍令人费解。它被立即标记为具有异常特征，Neights表示。在它后的最初几个月内，我们对其性质并不清楚。当时存在大量各种推测性的假设。

一种延长伽马射线暴喷流持续时间的方法是减缓坍缩恒星对喷出物质的吸积过程。为此，可以使其旋转得更快，这样形成的黑洞就难以迅速吞噬全部物质。但若旋转过快，物体将直接解体，从而阻止后续的剧烈事件发生。这一限制使得该方法不可行：没有任何旋转速度能够足够快以解释喷流的持续时间。

astronomersfacedthedifficulttaskofpairingtwounusualobjects,applyingsmearingtohopetoobtainLucifer.Neutronstarsobviouslydonotwork.Becomingablackholefromanelephantsizedstarcannotexplainiteither.Notmanythingscanlooklikethis,O’Connorstates.ThereisevenapossibilityitisnotaGRBatall,traditionallyspeaking.AstudyledbyNeightsandBurnsdescribeswhatcouldbeapotentiallywinningpair.Thefirstpartisatinyblackhole,roughlythreetimesthemassofthesunandonlyabout10milesacross.Thesecondisasimilarlylightweightstar.Andbillionsofyearsago,longbeforeoursolarsystemexisted,theymighthavebeenlockedinadeadlydance.

黑洞如此微小，连瞬间吞噬恒星都不现实。它会剥离恒星氢燃料，留下残留的氦核。在此过程中并无特别恶劣的后果，直到黑洞坠入被掏空的恒星。随后恒星核心发生塌缩，由黑洞提供的大量物质引发的宇宙射线爆发随之诞生。当粒子束从黑洞两极射出，穿透坍缩恒星的外壳，使其发生超新星爆炸。这一过程纷繁复杂、波折多变。这是目前找到的最佳解释，Neights表示。它或许就是真实情况，也可能就是正确的答案。但洛弗利仍是一个尚无明确答案的谜题。

Cendes表示，她现在不会对任何事情下定论，但这件事似乎与黑洞有关。她说，在样本量只有一个的情况下，很难证明任何理论。路西法目前是一个独一无二的事件。也许它将永远如此。无论如何，连同炸药、篝火和BOAT，路西法都表明，我们对伽马射线暴的理解并不像我们曾经认为的那样牢固。

科学家们是否因为对伽马射线暴（GRB）驱动物理机制的理解不够深入而受到阻碍？他们是否缺乏足够的先进空间观测设备来探测那些更微弱、或许更奇特的伽马射线暴？还是说，天文学家只是因为运气不好，还没有看到能够解开这些mysteries的特定伽马射线暴呢？其实这三点都是原因，奥康诺说。

宇宙中的能量怪兽很可能在可预见的未来仍难以完全理解。但天文学家将持续探索它们——不仅因为好奇，更因为伽马射线暴对急切的科学家而言堪称理想研究对象。宇宙中遍布星系、恒星与世界，它们在天文学家短暂的人生历程中几乎毫无变化。

宇宙的大部分演化都在如此长达数十亿年的尺度上发生，拉斯蒂贾德表示。但每晚我们都能在远离家园的地方观测到某种伽马射线暴（GRB）的剧烈爆发。我认为与在人类时间尺度上发生的事情展开合作，是非常有趣且令人兴奋的，她说道。眨眼之间，便会错过这些现象。

相关知识（天文术语）

宇宙是包含一切空间、时间、物质与能量的总和，起源于约138亿年前的大爆炸，不断膨胀并演化出星系、恒星、行星以及生命。它无边无际，充满未知，人类通过天文观测与物理理论探索其结构与起源，试图理解存在的本质与规律。

BY: Robin George Andrews

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选文：天文志愿文章组-

翻译：AI

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终审：天文志愿文章组-零度星系

排版：天文志愿文章组-零度星系

美观：天文志愿文章组-

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://www.scientificamerican.com/article/these-extreme-cosmic-explosions-are-breaking-physics/

本文由AI翻译自文章作者Robin George Andrews的作品，如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除。

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