伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。它堪称宇宙中最强大的爆射现象，在短时间内释放出的能量极其惊人。如果与太阳相比，某些伽马射线暴在几分钟内释放的能量相当于万亿年太阳光的总和，其发射的单个光子能量通常是典型太阳光的几十万倍。

发现历程

（一）首次发现

冷战期间，1967年美国为进行核爆炸监测发射的间谍卫星Vela卫星，意外发现了伽马射线暴。当时卫星上安装的监测伽马射线的仪器设备，捕捉到了来自宇宙空间的伽玛射线突然增强又快速减弱的现象，这种现象随机发生，大约每天1 - 2次，强度可超过全天伽玛射线的总和，且来源在宇宙空间而非地球。不过，由于当时保密原因，首批观测资料直到1973年才公开发表，同时很快得到了苏联Konus卫星的证实。

（二）关键进展

• 1973年：科学家发表关于伽马射线暴的发现后，学者们纷纷提出各种理论模型试图解释这一爆发现象，如彗星互相碰撞或中子星互相碰撞等。但在其后二十多年间，因观测数据匮乏，没有一个模型取得公认。
• 1991年：康普顿伽玛射线天文台（CGRO）及其极度灵敏的伽马射线探测器爆发和瞬态源探测器（BATSE）仪器提供的数据显示，伽马射线暴分布是各向同性的，不倾向于太空中的任何特定方向。如果源于银河系，它们将强烈集中在银河平面中或附近，而伽马射线暴不存在此类模式，这证明了伽马射线暴一定来自银河系之外，不过一些银河系模型仍与各向同性分布相一致。
• 1997年：意大利－荷兰的X射线卫星BeppoSAX首次对伽马暴作出成功精确定位，并与地面和空间望远镜配合发现伽马射线在短暂辐射后，还可能有长达数天、数星期的X射线余辉和/或数天甚至数月或数年的光学甚至射电余辉。余辉的发现为伽马暴的深入研究提供了极大便利，很快测出了一些伽马暴的红移，首次直接确认伽马暴在遥远的宇宙学距离上，离地球有几十亿光年甚至更远，也证实了其释放能量巨大，在几秒或几十秒钟内放出的能量比太阳上百亿年放出的能量大很多，应是宇宙间最猛烈的爆发事件。此后该领域飞速发展，很快形成了标准模型，即伽马暴被认为产生于一个以极端相对论速度（～0.9999光速）膨胀的火球，火球内部不同膨胀速度的各层气壳相互碰撞产生内激波致伽马暴，火球继续膨胀并与星际介质碰撞产生外激波导致余辉，该模型能较好解释观测特征。
• 1998年：南京伽马暴团队发现伽马暴“GRB970616”的X射线余辉能谱与标准模型不符，要求伽马暴的环境不是均匀的星际介质，而是密度与距离平方成反比的星风环境。随后多个伽马暴周边也被观测到星风环境，证实原来建立的标准模型不正确，指出这些伽马暴应起源于大质量恒星的塌缩，与距离平方成反比的介质由伽马暴前身的大质量恒星放出的星风形成。这一发现引起天体物理界震动，南京伽马暴团队原创的起源观点后来得到R.A.Chevalier等人的进一步发展，星风模型成为主流模型，研究结果多次被国际重要论文引用。同年4月25日发现的伽马暴GRB980425似乎与超新星SN1998bw成协，但不太典型。
• 1999年：1月23日，BeppoSAX卫星观测到极强的伽马暴GRB990123，其光学余辉的光变曲线上出现突变（拐折），即在暴后约2天在光变的对数图上斜率从 -1.1变陡为 -1.8。南京伽马暴团队曾首次指出相对论性膨胀转向非相对论性膨胀也会导致这种突变，如果环境是致密介质，膨胀在密度高的介质中进行会加快减速到非相对论，使暴后较短时间（如2天）出现拐折，喷流机制和致密介质成为拐折的两种常用解释。
• 2000年后：出现诸多新进展，如确认短伽玛射线暴是单独类型（可能来自合并中的中子星，且与超新星无关）；发现大多数伽玛射线暴后持续数分钟的扩展、不规则的耀斑活动X射线波长；发现最亮（GRB 080319B）和宇宙中最遥远的（GRB 090423）物体，最遥远的已知伽玛射线暴GRB 090429B成为宇宙中最遥远的已知物体。
• 2001年：JJM.IntZand等指出观测到的伽马暴GRB010222不能用喷流机制解释，却能用致密介质机制很好解释，星风环境和致密环境都是重要后标准效应，前者反映前身星性质，后者可能与星云、恒星形成区有关，均表明伽马暴起源于大质量恒星的塌缩。
• 2003年：3月29日发现非常典型的伽马暴GRB030329与非常典型的超新星SN2003dh成协，伽马暴起源于大质量恒星的塌缩得到确认和证实。
• 2018年10月：天文学家报告称GRB 150101B和2017年探测到的引力波事件GW170817可能由相同机制产生，即两颗中子星合并。这两个事件在伽马射线、光学和X射线发射以及关联的主星系性质方面相似度“惊人”，都可能是两颗中子星合并结果，也可能是一个千新星，千新星可能比以前理解的更常见。
• 2019年11月：天文学家报告著名的伽马射线暴GRB 190114C，该伽马暴最初于2019年1月被发现，产生约1Tev的巨大能量。
• 2023年3月29日凌晨2点：中国科学院高能物理研究所在北京与全球40余家科研机构联合发布对迄今最亮伽马射线暴GRB 221009A的研究成果。中国科学院高能物理研究所研究员熊少林表示，通过“极目”卫星发现它打破了伽马射线暴亮度纪录，比以往人类看到的任何伽马射线暴还要亮50倍。

命名规则

伽玛射线暴的名字由爆发源的位置或发现日期确定。若能确定爆发源位置，就按爆发源位置命名，如GRB0526 - 66，其中GRB表示伽玛射线暴，0526表示爆发源的赤经是5时26分， - 66表示爆发源的赤纬是负66度（若赤纬为“正”，则将“ - ”改成“ + ”）；若爆发源位置未确定，就按发现日期命名，如GRB790305h，79表示1979年，03表示3月，05表示5日，b表示这一天发现的第二个伽玛射线暴，若b换成c，则表示这一天发现的第三个伽玛射线暴，以此类推。例如GRB 0526 - 66与GRB 790305b实际是同一个伽玛射线暴，出现在1979年3月5日，发生在赤经5时26分、赤纬为 - 66度的位置。

产生原因与分类

（一）产生原因

伽马射线在距离地球数十亿光年远的地方闪耀，其产生可能与遥远星系的大爆炸有关。一般认为伽马射线暴出自超新星爆炸事件，即在大质量恒星爆炸中形成中子星或黑洞时产生。不过到目前为止检测到的所有伽马射线暴都处于银河系以外，目前还未将伽马射线暴的产生与某一超新星爆炸明确联系起来，人类还不能完全解释伽马射线产生的机制。

（二）分类

伽马射线暴的光变曲线种类繁多，每次爆发都独一无二。爆发时长短至数毫秒，长至数十分钟，曲线可有一个高峰，也可由多个小脉冲组成，脉冲形状有对称的，也有上坡快下坡慢的。有的爆发事件前会出现伽马射线暴前体，即先弱爆发，接着几秒至几分钟无动静，然后发生强烈伽马射线暴，有些光变曲线复杂无规律。尽管科学家能利用简化模型推导类似光变曲线，但在理解全部多样性方面进展有限。已提出很多分类方案，但多基于光变曲线外观差异，可能无法反映爆炸祖先实际物理差异。不过大量伽马射线暴的观测持续时间分布图显示明显双峰，表明存在两个独立群体：“短”群体，平均持续时间约0.3秒；“长”群体，平均持续时间约30秒。这两种分布广泛，有较大重叠区域，无法仅通过持续时间明确给定事件身份，已在观测和理论基础上提出超出两层系统的其他类别。

1. 长暴

伽马射线暴中有七成属于长伽马射线暴，即爆发时长超过2秒。此类爆发持续时间长、余辉强，便于详细观测，所以科学家对其了解更深入。几乎每一个经过详细分析的长伽马射线暴都源自正在快速生成恒星的星系，甚至有的能追溯至核坍缩超新星，因此可断定长爆发的来源是死亡过程中的大质量恒星。科学家分析高红移长伽马射线暴的余辉后，也发现此类爆发源自恒星形成区域。

2. 短暴

持续时间不足两秒的事件被归类为短伽马射线暴，约占伽马射线暴的30%。直到2005年，任何短事件都未成功探测到余辉，对其起源知之甚少。此后已探测并定位几十次短伽马射线暴余辉，其中几次与恒星形成少或没有恒星形成的区域相关，如大型椭圆星系，这排除了与大质量恒星联系，证实短事件在物理上不同于长事件，且没有与超新星联系。科学家最初推测短爆发是两颗中子星相互碰撞或一颗中子星与一个黑洞相撞的结果，此类碰撞产生的爆发星体称为千新星，天文学家在GRB 130603B爆发期间也观测到关联千新星。由于狭义相对论讯息不可超越光速传递原理，短爆发之短意味着爆发源天体体型必定小，爆发时长为0.2秒，即爆发源直径不超过0.2光秒（约6万公里，地球直径之四倍）。中子星在2秒以内落入黑洞并发出伽马射线后，其环绕黑洞公转的剩余物质（不再是中子物质）将在数分钟至数小时内逐渐堕入黑洞并发出X光，可解释观测到的X光余辉。一部分短伽马射线暴可能来自邻近星系中的软伽马射线重复爆发源的大型耀斑。2017年，科学家探测到引力波事件GW170817，1.7秒后又探测到短伽马射线暴GRB 170817A，详细分析后确定此次事件来自两颗中子星碰撞产生的千新星。

3. 超长暴

超长伽马射线暴指位于时长分布最尾端的长伽马射线暴，持续时间超过若干个小时。有人提出将其形成单独类别，由蓝色超巨星的坍缩、潮汐破坏事件或新生磁星引起。迄今仅发现少量此类事件，主要特征是伽马射线发射持续时间长。研究最多的超长时间事件包括GRB 101225A和GRB 111209A。低检测率可能是当前探测器对长时间事件灵敏度低造成，而非反映真实频率。2013年一项研究表明，现有证据不足以证明存在具有新类型前体的独立超长GRB群体，需进一步多波段观测才能得出更确定结论。

观测情况

（一）余辉观测

伽马射线暴来源的模型假设暴的抛射物与星际气体碰撞会产生较长波的缓慢衰减辐射——余辉。1997年，BeppoSAX卫星探测到伽马射线暴GRB970228的衰减X射线余辉，20h后赫歇耳望远镜证认出其衰减的光学对应体是遥远宿主星系，BeppoSAX卫星还发现GRB970508的光谱红移Z = 0.835，证明伽马射线暴发生在极远星系。次年发现的GRB980425与超新星SN1998bw有关联，表明伽马射线暴与大质量恒星死亡有关，成为伽马射线暴来源的有力线索。加载专用仪器探测射线暴的还有康普顿伽马射线天文台和HETE - 2、Swift及Fermi飞船。

伽玛暴的X射线余辉的光变曲线通常可分为4个阶段：早期紧随暴之后的快速下降阶段，时间菲律指数可达 - 3以下；紧接着慢下降，时间指数约为 - 0.5；然后是时间指数为 - 1.2的衰减；再然后可能拐折到 - 2的下降。

伽马暴的X射线耀发和鼓包特点包括：Swift暴中，50%的X射线余辉具有X射线耀发；对不同暴，出现耀发次数不定，耀发时标远小于余辉时标，且每个脉冲宽度随出现时间变晚而变宽；短暴中X射线耀发出现在约100s后；一次X射线耀发总能量与瞬时伽马暴辐射能的比值为0.1～1，但也有例外，如GRB050502B；Swift暴中60%的X射线余辉中观测到X射线鼓包，X射线耀发和X射线鼓包负相关。

（二）能量和光度观测

虽然伽马射线暴源极其遥远（几十亿光年），但观测到的伽马射线暴很亮。长伽马射线暴的热辐射能流（主要在伽马射线）可与银河系（几十光年远）的亮星辐射流匹敌。例如，75亿光年远的光学对应体GRB080319B的视星等为5.8，说明其能量极强，辐射本领（光度）极高。

导致伽马射线暴在短时间内产生巨大能量的原因还不完全清楚。目前认为射线暴是高度集中的爆炸，爆炸能量大多集中于窄喷流，可由观测的余辉光变曲线“喷流破裂”来估计喷流的角宽度，其后时间内缓慢衰减的余辉开始随喷流快速衰退，不再有效展现其辐射，喷流角度显著变化在2°～20°范围内。由于能量在空间高度集中，大多伽马射线暴发射的伽马射线若不指向地球就不能被探测到，但当指向地球时，沿窄束集中的发射就显得特别亮。典型伽马射线暴释放出的能量约1044J，与亮的Ib/c型超新星相当。短伽马射线暴离地球较近，但能量可能不完全集中。

（三）光学辐射探测

GRB041219A是Swift观测到的第一个具有光学辐射的暴，具有超长持续时间和与暴同时的光学辐射，也是少数几个观测到暴阶段光学辐射的暴之一。大约95%的暴可观测到X射线余辉，但只有约一半的Swift暴中观测到光学余辉。根据光变曲线形状将光学余辉分为4种类型：快速上升的早峰，慢上升的晚峰，平高原和首次测量后的迅速衰减。还有约一半的暴未观测到光学余辉，这些暴被称为暗暴。一般来说，在大质量星生命中会形成星风泡沫环境，微观激波参数会随火球演化而改变，在风泡沫环境基础上改变微观激波参数可解释这些反常光学辐射。

（四）短暴的余辉和宿主星系观测

短暴因发生时标短、衰减快，需观测仪器响应快才可能看到余辉。短暴精确定位使对短暴宿主星系探测成为可能，虽目前对宿主星系观测数目少，但对余辉和宿主星系观测比较确定地排除了短暴的塌缩星模型和磁星模型等，短暴极有可能由双致密星并合产生。在已有样本中，既有恒星形成星系也有椭圆星系，与椭圆星系成协表明至少有一些短暴的前身星与老年星族有关，支持短暴起源于双致密星并合观点。更多数据积累有助于统计短暴红移、宿主星系、短暴在宿主星系中的位置，更好确定短暴起源。

（五）潮汐瓦解事件观测

2011年3月28日，尼尔·格雷尔斯雨燕天文台探测到GRB110328A，发现新一类伽马射线暴。此次事件伽马射线放射时长为2天，比长伽马射线暴长得多，且在X光波段放射持续许多个月。爆发来源于红移z = 0.35（约45亿光年）的小型椭圆星系。爆发是星体坍缩还是带相对论性喷射的潮汐瓦解所致，学界仍有争议。此类伽马射线暴原理是恒星运行至特大质量黑洞附近被黑洞撕裂，在某些情况下会产生有强烈伽马射线辐射的相对论性喷射。科学家最早提出GRB 110328A（亦称雨燕J1644 + 57）是一颗主序星和质量为太阳数百万倍的黑洞互动结果，后来又有科学家认为更可能是一颗白矮星被质量为太阳数万倍的黑洞瓦解结果。

前身天体推测

大部分伽马射线暴源离地球遥远，难以判断哪种天体爆发。某些长伽马射线暴和超新星相关，来源星系是活跃恒星生成区，意味着长伽马射线暴与大质量恒星密切相关。最广为接受的坍缩星模型主张，质量极大、金属量低、高速自转的恒星在演化生命晚期，星核坍缩成为黑洞时会发生长伽马射线暴。星核附近物质往中心下降，形成漩涡状高密度吸积盘，并沿旋转轴喷出两束相反的相对论性喷射，喷流冲破恒星外层，辐射出伽马射线。也有模型主张恒星坍缩形成磁星而非黑洞，其余生成过程基本不变。

在银河系里，沃尔夫–拉叶星与此类恒星最为相似。沃尔夫–拉叶星温度极高、质量极高，氢外层几乎已散失殆尽。从这一角度看，海山二、阿佩普、WR 104都有在未来发生伽马射线暴的可能性，但科学家不能确定银河系恒星是否具备发生伽马射线暴的所有必要特征。

爆发记录

（一）1997年

12月14日发生的伽马射线暴，距离地球远达120亿光年，释放能量比超新星爆发大几百倍，50秒内释放伽马射线能量相当于整个银河系200年总辐射能量。该伽马射线暴在一两秒内亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮，其附近几百千米范围内再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。

（二）1999年

1月23日发生的伽马射线暴比1997年更猛烈，放出能量是1997年那次的10倍。

（三）2004年

美国宇航局研究显示，地球曾被50万光年之遥的大型耀斑瞬间照射，强大能量脉冲束照亮地球大气层。该脉冲束来自银河系对面一颗中子星，中子星也被称为“软伽马射线中继器”，通常喷射低能量伽马射线，但有时其磁场重新排列会释放巨大能量束，可穿越太空，导致大量人造卫星故障，使地球顶端大气层电离化。据美国宇航局称，这种独特伽马射线束非常强烈，比满月还明亮，比勘测到的太阳系外任何天体都明亮。这一伽马射线喷发发生于2004年12月27日，由中子星“SGR1806 - 20”释放。

（四）2009年

4月23日，天文学家观测到迄今最遥远的伽马射线暴，距离地球131亿光年，也是人类观测到的最遥远天体，导致该伽马射线暴发生的强烈爆炸发生在宇宙起源后不到7亿年时。研究小组评估称，黑暗伽马射线暴在宇宙早期阶段所有伽马射线暴中只占0.2%到0.7%，说明宇宙起源早期并未发生非常多恒星形成现象。

（五）2013年

捕获到的伽马射线中，最强壮光子有950亿电子伏特，于4月27日到达地球，来自距离我们38亿光年远的伽马射线暴GRB130427A。此次伽马射线暴余晖持续很久，2013年9月仍能被监测到，说明源头是高速旋转巨型恒星爆炸，质量在20～30个太阳质量之间，在引力作用下坍缩到半径只有太阳半径的3～4倍，是一个典型大质量“沃尔夫 - 拉叶星”（WR星）。

（六）2016年

6月，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜记录下名为GRB 160625B的伽马射线暴。射线大幅爆发前，捕捉到一缕短暂闪光，得以亲眼目睹后续更剧烈爆炸，并记录下射线爆发过程新数据。英国巴斯大学卡罗尔·蒙代尔教授指出，伽马射线暴往往瞬息发生，但此次提前观察到长约一秒闪光，正式射线暴发生在约100秒后，给了足够时间部署望远镜，且此次射线暴持续时间比一般长，竟长达好几分钟，虽距地球遥远但极为明亮，当意识到超快机器人望远镜成功捕获事件刚发生时光线后，人人激动不已。

（七）2022年

10月9日21点17分，中国科学院高能物理研究所负责建设和运行管理的中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，昵称“拉索”）、“高能爆发探索者”（HEBS）和“慧眼”卫星（Insight - HXMT）等三大科学装置，通过天地联合，同时探测到迄今最亮的编号GRB 221009A伽马射线暴，打破伽马射线暴光子最高能量、最亮伽马射线等人类观测宇宙中伽马射线暴的多项记录。

（八）2023年

天文学家通过对两个短伽玛射线暴中探测到的振荡信号研究，认为可能是在两个中子星（大质量恒星在生命末期的致密核）合并形成大质量中子星过程中产生，探测到此类信号或为研究此类事件性质提供机会。伽马射线暴GRB 221009A的研究成果发布，中国的“慧眼”卫星与“极目”空间望远镜联合精确探测到该伽马射线暴，其亮度是以往伽马暴的50倍，该研究对深入理解这种极端宇宙爆发现象具有重要意义。中国科学院高能物理研究所科研人员通过位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站对宇宙中一次伽马射线暴进行完整监测，这是人类首次完整记录到这一高能爆发现象的全过程，相关研究成果于北京时间2023年6月9日在国际学术期刊《科学》（Science）在线发表。

产生影响

（一）发生频率

自距今约六十亿年前开始，像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件，在银河系核心及中间区域发生频率下降，在外围升高。具体而言，在距银河系中心约六千五百至两万六千光年区域里，伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件逐渐下降到平均每五亿年不超过一次的频率，是整个银河系里最低的。

估算伽马射线暴确切发生频率并不容易。在一个银河系大小的星系里，长伽马射线暴发生频率估计为一万年一次到一百万年一次，其中只有很小一部分爆发会指向地球。因科学家不了解此类爆发聚焦程度，短伽马射线暴发生频率更未知，但应和长伽马射线暴相近。

（二）对生命的影响

伽马射线暴对生命有害，有摧毁性破坏力。地球位于银河系外围，整个宇宙中适合生命繁衍的环境也正是大星系外围密度较低区域。从各类型星系分布推算，只有约10%的星系可繁衍生命。而且，z大于0.5的高红移星系会高频率发生伽马射线暴，恒星过于密集，不宜生命。

至今科学家观测到的伽马射线暴都源自银河系以外极其遥远地方，对地球无威胁。不过，若在银河系内离地球5千至8千光年处发生伽马射线暴，且其产生的高能喷流正指向地球，就会对地球生态造成破坏甚至毁灭性作用。目前所有卫星在宇宙中观测到的伽马射线暴总和频率为每天一次。截止2014年3月，最接近地球的伽马射线暴为GRB 980425，距离为4千万秒差距（即1亿3千万光年，红移z = 0.0085），源于一个SBc型矮星系，GRB 980425释放能量远低于平均，和Ib型超新星SN 1998bw相关。

（三）对地球的影响

有科学家推测，过去50亿年曾发生严重破坏地球生命的近距离伽马射线暴概率非常高，过去5亿年曾发生爆发并造成其中一次生物集群灭绝事件的概率为50%。

4亿5千万年前发生的奥陶纪－志留纪灭绝事件有可能就是伽马射线暴所致。在奥陶纪晚期各三叶虫种群中，生活在充满浮游生物海洋表面的种群最受打击，而生活在深水、活动空间较狭窄的种群得以生存。这种灭绝特征有别于其他集群灭绝事件，因为分布广阔物种通常比分布局限生物更容易存活。因此有科学家认为，深水三叶虫受到水屏障保护，免受伽马射线暴带来的紫外线摧残。同样支持这一观点的证据还有：奥陶纪晚期双壳纲物种中，挖洞的比在表面生活的更容易度过此次灭绝事件。

未解之谜

科学家从未观测到来自地球所处银河系以内的伽马射线暴，银河系内在过去是否发生过爆发也是未解之谜。随着科学界对伽马射线暴及其前身天体了解不断提升，人们逐一记下可能在过去发生过或在将来会发生爆发的各个系内天体。如今观测到的长伽马射线暴都和超高光度超新星（又称极超新星）相关，大部分高光度蓝变星和高速自转的沃尔夫–拉叶星都被认为会以星核坍缩超新星形式死亡并伴随长伽马射线暴。但科学家目前对伽马射线暴的了解全部来自宇宙历史长河中较早期的星系，此类星系金属量很低，很难把其中恒星演化过程直接套用于银河系这类金属量较高的后期星系。