NASA的任务研究万年一遇的伽马射线爆发
2022年10月9日，周日，一股强烈的辐射脉冲席卷了太阳系，天文学家很快就把它称为BOAT——有史以来最明亮的辐射。
其源头是伽马射线爆（GRB），这是宇宙中最强大的一类爆炸。
伽马射线爆发是宇宙中最明亮的爆炸。天文学家认为，发生在大质量恒星的核心耗尽核燃料，在自身重量的作用下坍塌，形成黑洞时，就会发生这种情况，如动画所示。然后，黑洞驱动粒子喷流，以几乎光速穿过正在坍缩的恒星。这些喷流穿透恒星，向太空喷射X射线和伽马射线（品红色）。然后，它们会撞向这颗注定要消亡的恒星周围的物质，产生多波长的余辉，然后逐渐消失。我们从正面越接近这些喷流，它看起来就越亮。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center
这次爆炸触发了许多航天器上的探测器，全球各地的天文台都进行了跟进。在梳理完所有这些数据后，天文学家现在可以确定它的亮度，并更好地了解它的科学影响。
“GRB 221009A可能是自人类文明开始以来发生的最亮的X射线和伽马射线能量爆发。”巴吞鲁日路易斯安那州立大学物理学和天文学助理教授埃里克·伯恩斯（Eric Burns）说，他领导了对大约7,000个GRB（大部分由NASA费米伽马射线太空望远镜和NASA Wind航天器上的俄罗斯Konus仪器探测到）的分析，以确定这种明亮事件发生的频率。他们的答案是：一万年一次。
这张图表将BOAT的瞬时辐射与此前五次保持记录的长时标伽马射线暴进行了比较。BOAT的亮度如此之高，以至于太空中的大多数伽马射线仪器都无法观测到，但美国科学家能够根据费米数据重建它的真实亮度。
图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center and Adam Goldstein (USRA)
这次GRB的亮度如此之高，以至于太空中的大多数伽马射线仪器都无法观测到，这意味着它们无法直接记录辐射的真实强度。美国科学家能够从费米的数据中重建这一信息。然后，他们将这些结果与研究Konus数据的俄罗斯团队和分析SATech-01卫星GECAM-C探测器以及Insight-HXMT天文台仪器观测结果的中国团队的结果进行了比较。他们一起证明，这次GRB的亮度是迄今为止任何一次GRB的70倍。
伯恩斯和其他科学家在夏威夷威科洛亚举行的美国天文学会高能天体物理部会议上介绍了关于BOAT的新发现。这次GRB的观测涵盖了从无线电波到伽马射线的光谱，并包括来自许多NASA及其合作伙伴任务的数据，包括国际空间站的NICER X射线望远镜，NASA的NuSTAR天文台，甚至星际空间的旅行者1号。描述这一结果的论文发表在《天体物理学杂志通讯》的焦点期刊上。
来自GRB 221009A的信号在到达地球之前已经传播了大约19亿年，使其成为已知的最近的长时标伽马射线暴之一，其初始或快速发射持续超过两秒。天文学家认为，这些爆发代表了大质量恒星核心在自身重量下坍缩时形成的黑洞诞生的哭声。当它迅速吞噬周围物质时，黑洞向相反方向喷射出含有加速到接近光速的粒子的喷流。这些喷流穿过恒星，向太空喷射X射线和伽马射线。
有了这种类型的GRB，天文学家预计几周后会发现一颗变亮的超新星，但到目前为止，它被证明难以捉摸。其中一个原因是，GRB出现在我们银河系平面上方仅几度的天空中，那里厚厚的尘埃云会极大地削弱入射光。
荷兰奈梅亨大学天体物理学教授安德鲁·莱万（Andrew Levan）说：“我们不能肯定地说有一颗超新星，考虑到GRB的亮度，这令人惊讶。”由于尘埃云在红外波长下变得更加透明，莱万领导了近红外和中红外观测，使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（这是首次用于此类研究）以及哈勃太空望远镜来发现超新星。“即使有，也很微弱。我们计划继续观测。”他补充说，“但也有可能整个恒星不是爆炸而是直接坍塌进黑洞。”在接下来的几个月里，韦伯和哈勃计划进行更多的观测。
随着喷流继续膨胀到注定要毁灭的恒星周围的物质中，它们会产生多波长的余辉，然后逐渐消失。
这幅图显示了最常见的长时标伽马射线爆的成分。一颗大质量恒星的核心（左）已经坍塌，形成了一个黑洞，它以接近光速的速度向外发射一束粒子流，穿过坍缩的恒星，进入太空。光谱上的辐射来自新生黑洞附近的热电离气体（等离子体）、喷流内快速移动的气体外壳之间的碰撞（内部冲击波），以及喷流向上扫掠并与周围环境相互作用时的前缘（外部冲击）。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center
“距离如此之近，如此之明亮，这次爆发为我们提供了一个前所未有的机会，可以通过电磁波谱收集余辉的观测数据，并测试我们的模型在多大程度上反映了GRB喷流中真正发生的事情。”位于图森的亚利桑那大学天文系助理教授凯特·亚历山大说。“25年来一直运行良好的余辉模型无法完全解释这种喷射现象。”她说。“特别是，我们发现了一个我们还不完全了解的新的无线电组成结构。这可能表明喷流中存在额外的结构，或者表明需要修改我们关于GRB喷流如何与周围环境相互作用的模型。”
亚历山大解释说，喷流本身并不异常强大，但它们非常狭窄——很像花园软管的喷射设置——其中一端直接指向我们。我们越靠近正面观察喷流，它就显得越亮。尽管在射电能量上，GRB 221009A的余辉出乎意料地暗淡，但它很可能在数年内都能被探测到，这为跟踪强大喷流的整个生命周期提供了一个新的机会。
这次爆发还使天文学家能够探测银河系中遥远的尘埃云。当X射线向我们移动时，其中一些被尘埃层反射，以X射线环的形式从爆炸的位置扩展，形成了最初爆炸的延伸“光回波”。NASA尼尔·格雷尔斯雨燕天文台的X射线望远镜发现了一系列回波的存在。欧洲航天局（ESA）的XMM-Newton望远镜的详细跟踪调查，以及雨燕天文台的数据显示，这些不同寻常的光环由21个不同的尘埃云产生。
“尘埃云如何散射X射线取决于它们的距离、尘埃颗粒的大小和X射线的能量。”意大利梅里特布雷拉天文台和国家天体物理研究所的研究主任塞尔吉奥·坎帕纳（Sergio Campana）解释说。“我们能够使用这些光回波来重建爆发时的快速X射线喷射，并确定尘埃云在我们星系中的位置。”
这张合成图合并了GRB 221009A爆发后2天和5天的观测结果。深色条纹表示探测器之间的间隙。一项详细的分析显示，这里可见的最宽的尘埃环，与满月的大小相当，来自大约1,300光年外的尘埃云。最里面的尘埃环是由距离我们银河系61,000光年远的尘埃形成。GRB221009A只是第7个显示X射线环的伽马射线暴，它的数量是之前观测到的3倍左右。
影像来源：ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
GRB 221009A是第七个显示X射线环的伽马射线暴，它的数量是之前观测到的3倍左右。光回波来自700到61,000光年外的尘埃。最遥远的光回波——清晰地出现在我们银河系的另一边——也就是在太阳系所在的星系中心平面上方4,600光年处。
最后，这次爆发为探索一个重大的宇宙问题提供了机会。“我们认为黑洞是吞噬一切的东西，但它们也会把能量送回宇宙吗？”马里兰州巴尔的摩县大学和美国宇航局格林贝尔特戈达德太空飞行中心的天体物理学家米凯拉·内格罗（Michela Negro）问道。
她的团队能够用NASA的X射线成像偏振探测器探测尘埃环，以了解瞬时辐射如何组织，这可以深入了解喷流如何形成。此外，在余辉阶段观察到的少量偏振证实，我们几乎是从正面直接观察到了喷流。
一个研究团队正在利用ESA INTEGRAL天文台的数据进行类似的测量结果，科学家们表示，有可能证明BOAT的喷流是通过利用黑洞旋转放大的磁场能量提供动力。基于这些模型的预测已经成功地解释了这次爆发的其他方面。
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