史上最明亮的伽马射线暴 GRB 221009A的分析结果令天文学家困惑

2022年10月9日早上，多个空间探测器捕捉到一次强大的伽马射线暴（GRB）穿过我们的太阳系，引发全球天文学家争相将望远镜对准该天区收集有关事件及其后果的重要数据。这次被称为GRB 221009A的伽马射线暴很可能是一个新黑洞“诞生”的“哭声”，也是目前记录中最强大的一次。因此，天文学家们给它起了BOAT或者史上最亮之名。

该事件随即在《天文学家电报》上发布，并且我们现在从数篇发表于《天体物理学快报》特别专题期刊中的跟进观测数据中获得了新信息。研究结果证实，GRB 221009A确实是BOAT，由于其狭窄喷流直接指向地球而显得格外明亮。“自人类文明开始以来，这可能是撞击地球最明亮的事件。”路易斯安那州立大学的天文学家埃里克·伯恩斯告诉《新科学家》，“这件事情所释放出来能量如此极端，在你把整个太阳转化成纯能量时仍然无法与之匹敌。没有任何可比性。

但是，各种分析也产生了几个令天文学家困惑的意外结果，这可能会导致我们当前的伽马射线暴模型发生重大改变。例如，超新星应该在初始爆发后几周就已经发生了，但是天文学家还没有探测到。观测到的余辉的无线电数据与现有模型的预测不符，并且天文学家在遥远的尘埃云中检测到了罕见的延长X射线光回声环。 正如我们之前报道过的那样，伽马射线暴是远处星系中持续数毫秒至数小时之久、极高能量爆炸事件。有两类伽马射线暴。其中大多数（70％）持续时间超过两秒钟，通常具有明亮余辉，在快速形成恒星的星系中出现得更为频繁。天文学家认为长时间爆发与质量巨大、坍缩形成中子星或黑洞（或者另一种新形成磁体星）相关联。婴儿黑洞将产生高能粒子喷流以接近光速运动，并足够强大地穿透原始恒星残骸，发射出X射线和伽马射线。

那些持续不到两秒钟（约30％）的伽马射线暴被认为是短暴，通常从星际形成非常少的区域发出。天文学家认为这些伽马射线暴是由两个中子星合并或中子星与黑洞合并而成的“千新星”。 该假设在2017年得到了证实，当时LIGO合作组捕获了两个中子星合并产生的引力波信号，并伴随着与千新星相关联的强大伽马射线爆发。去年，天体物理学家发现了他们认为可能是同一次合并后第一次探测到千新星“余辉”的神秘X射线。（或者，它可能是形成于合并后的黑洞吸收物质所导致的首次观测）。 2022年10月份发生的伽马射线爆发属于长时间类别，持续时间超过300秒。GRB 221009A触发了NASA费米伽玛射线空间望远镜、Neil Gehrels Swift Observatory和Wind航天器等探测器，在此之前正好有许多伽玛射线天文学家聚集在南非约翰内斯堡参加一年一度的会议。这个强大的信号来自箭头座，经过了约19亿年才到达地球。

在GRB 221009A首次被探测到后，斯威夫特天文台等机构继续观察该爆发事件，直至11月底每天观测一次，并在12月间隔一天进行一次观测。此时地球的位置使我们无法看到这个爆发事件（因为被太阳遮挡）。 （斯威夫特于2月恢复了定期每周观测。）各种望远镜收集了跨越电磁谱的数据-从射电到伽马射线区域-以尽可能多地了解这个事件。

例如，无线电波数据显示GRB 221009A比以前观测到的任何伽马射线暴亮度高70倍，因此它确实是迄今为止最明显的（可能是一万年一遇的事件）。对于一个GRB来说，这次爆发的能量并不特别大，但释放该能量的喷流异常狭窄，并直接指向地球，使得GRB 221009A看起来格外明亮。

但天文学家尚未探测到相关超新星证据，可能是因为那个天空区域（距离我们银河系平面仅几度）中存在厚厚的尘埃云层阻挡了所有入射光。荷兰奈梅亨Radboud大学天体物理学家安德鲁·莱文领导使用NASA’s Webb望远镜和哈勃太空望远镜进行近红外和中红外观测以期发现预期超新星，“我们不能确定是否有超新星出现，这让人惊讶。”他说，“如果有超新星存在，则非常微弱。我们计划继续寻找，但整颗恒星可能直接坍塌进入黑洞而没有爆炸。

尽管伽马射线暴（GRB）通常只持续几秒钟，但它们在光谱范围内留下余辉发射，可以回响数月甚至数年。各种光谱的后续观测数据为天文学家提供了一个难得的机会来详细探索这种余辉的演变。他们惊讶地发现，无线电数据显示喷流随着时间平稳而相当缓慢地演化，与现有模型显示能量快速跳跃的矛盾。 “已经工作了25年的余辉模型不能完全解释这个喷流，”亚利桑那大学图森分校（University of Arizona in Tucson）的天文学家凯特·亚历山大说。“这个[新无线电组件]可能表明喷流内部存在额外结构或者建议我们修正关于GRB喷流如何与周围环境相互作用的模型。” “过去有一些GRBs显示出毫米和无线电发射短暂超额，在喷流本身中被认为是冲击波的标志，但在GRB 221009A中超额发射行为与过去情况截然不同。”哈佛-史密森天体物理中心的伊维特·森德斯说。“我们可能发现了一种完全新的产生过量毫米和无线电波的机制。可见光和X射线光可能由喷流的一个部分产生，而早期毫米和无线电波则由另一个组件产生。

其他天文学家将注意力转向了我们银河系中遥远的尘埃云，并发现其中21个云散射了爆发的X射线，产生了一系列X射线环形光回声。由于距离、灰尘颗粒的大小和X射线的能量都影响着云层对X射线的散射，天文学家可以利用环形数据来重建X射线辐射以确定灰云所在位置。 X-ray 环数据还揭示了余辉中微小程度的偏振 – 这更加证实该喷流几乎直接指向地球。