2020 年 8 月 26 日，美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡探測到了一個高能輻射脈沖，該脈沖已經向地球加速了近一半的宇宙年齡。只持續了大約一秒鐘，結果證明它是記錄簿中的一個——有史以來由大質量恒星死亡引起的最短伽馬射線爆發 (GRB)。
伽馬暴是宇宙中最強大的事件，可以在數十億光年的范圍內探測到。天文學家根據事件持續時間長于還是短于兩秒將它們分為長短。他們觀察到與大質量恒星消亡相關的長爆發，而短爆發則與不同的場景有關。
天文學家結合來自美國宇航局費米伽瑪射線太空望遠鏡、其他太空任務和地面天文臺的數據，揭示了 GRB 200826A 的起源，這是一種短暫但強大的輻射爆發。這是已知由坍縮恒星提供動力的最短爆發——而且幾乎根本沒有發生。圖片來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心
“我們已經知道一些來自大質量恒星的伽馬暴可以記錄為短伽馬暴，但我們認為這是由于儀器的限制，”中國南京大學和拉斯維加斯內華達大學的張斌斌說。“這次爆發很特別，因為它絕對是一個持續時間較短的伽馬暴，但它的其他特性表明它起源于一顆坍縮的恒星。現在我們知道垂死的恒星也會產生短暫的爆發。”
命名為 GRB 200826A，在它發生的日期之后，這次爆發是 7 月 26 日星期一發表在《自然天文學》上的兩篇論文的主題。第一篇由張領導，探索伽馬射線數據。第二個由馬里蘭大學帕克分校和美國宇航局位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心的博士生 Tomás Ahumada 領導，描述了 GRB 衰落的多波長余輝和隨后超新星爆炸的新興光。
“我們認為這一事件實際上是一場失敗，幾乎完全沒有發生，”Ahumada 說。“即便如此，這次爆發所釋放的能量是整個銀河系在相同時間內釋放的能量的 1400 萬倍，使其成為有史以來能量最高的短時伽瑪暴之一。”
當一顆比太陽質量大得多的恒星耗盡燃料時，它的核心會突然坍塌并形成一個黑洞。當物質向黑洞旋轉時，其中一些物質會以兩股強大的噴流的形式逃逸，這些噴流以幾乎光速向相反的方向沖出。天文學家只有在這些噴流中的一個幾乎直接指向地球時才會探測到伽瑪暴。
每個噴流都穿過恒星，產生伽馬射線脈沖——能量最高的光形式——可持續長達幾分鐘。爆發后，被破壞的恒星會迅速膨脹為超新星。
另一方面，當成對致密天體(例如在恒星坍縮過程中形成的中子星)在數十億年的時間里向內盤旋并碰撞時，就會形成短伽瑪暴。費米的觀測最近幫助表明，在附近的星系中，來自孤立的超磁化中子星的巨大耀斑也偽裝成短伽瑪暴。
GRB 200826A 是一次僅持續 0.65 秒的高能發射的猛烈爆炸。在膨脹的宇宙中傳播了億萬年之后，當費米的伽馬射線暴監測器檢測到信號時，它已經延長到大約一秒鐘。該事件還出現在 NASA Wind 任務的儀器中，該任務繞地球和太陽之間的一個點運行，距離約 930,000 英里(150 萬公里)，以及自 2001 年以來一直圍繞這顆紅色星球運行的 Mars Odyssey。ESA(歐洲空間)機構的) INTEGRAL 衛星也觀測到了爆炸。
所有這些任務都參與稱為行星際網絡 (IPN) 的 GRB 定位系統，費米項目為此提供了所有美國資金。因為爆發在稍微不同的時間到達每個探測器，任何一對都可以用來幫助縮小它在天空中發生的位置。GRB 發生后大約 17 小時，IPN 將其位置縮小到仙女座星座中相對較小的一片天空。
該團隊使用美國國家科學基金會資助的位于帕洛瑪天文臺的茲威基瞬變設施 (ZTF)，掃描天空中的可見光變化，這可能與 GRB 的衰落余輝有關。
“進行這項搜索類似于大海撈針，但 IPN 有助于縮小大海撈針，”加州理工學院的研究生、余輝論文的合著者 Shreya Anand 說。“在第一晚的 28,000 多個 ZTF 警報中，只有一個符合我們的所有搜索條件，并且出現在 IPN 定義的天空區域內。”
在爆發后的一天內，美國宇航局的 Neil Gehrels Swift 天文臺發現了來自同一位置的衰落 X 射線輻射。幾天后，美國國家射電天文臺位于新墨西哥州的 Karl Jansky 甚大陣列探測到了可變射電發射。然后，該團隊開始使用各種地面設施觀察余輝。
該團隊使用位于西班牙加那利群島拉帕爾馬的 Roque de los Muchachos 天文臺的 10.4 米望遠鏡 Gran Telescopio Canarias 觀察與爆發相關的微弱星系，發現它的光需要 66 億年才能到達我們。這是宇宙當前年齡 138 億年的 48%。
但是為了證明這次短暫的爆發來自一顆正在坍縮的恒星，研究人員還需要捕捉正在出現的超新星。
“如果爆發是由一顆坍縮的恒星引起的，那么一旦余輝消失，它就會因為潛在的超新星爆炸而再次變亮，”戈達德天體物理學家兼 Ahumada 的研究顧問 Leo Singer 說。“但在這些距離上，你需要一個非常大且非常靈敏的望遠鏡，從其宿主星系的背景眩光中挑選出來自超新星的光的精確點。”
為了進行搜索，辛格獲得了使用夏威夷 8.1 米雙子座北望遠鏡的時間，并使用了一種稱為雙子座多目標光譜儀的敏感儀器。天文學家在爆發后 28 天開始用紅光和紅外光對宿主星系進行成像，并在事件發生后 45 天和 80 天重復搜索。他們在第一組觀測中發現了一個近紅外源——超新星，在后來的觀測中是看不到的。
研究人員懷疑，這次爆發是由在恒星關閉之前幾乎沒有從恒星中出現的噴流提供動力的，而不是更典型的情況，即持久的噴流從恒星中爆發出來并與它相距很遠的距離。如果黑洞發射了較弱的噴流，或者如果恒星開始坍縮時要大得多，那么可能根本就沒有伽瑪暴。
這一發現有助于解決一個長期存在的難題。雖然長伽瑪暴必須與超新星耦合，但天文學家探測到的超新星數量遠多于長伽瑪暴。即使考慮到 GRB 噴流必須接近我們的視線才能讓天文學家完全探測到它們，這種差異仍然存在。
研究人員得出結論，產生短 GRB 的坍縮恒星一定是光速射流在成功或失敗的邊緣搖擺不定的邊緣情況，這一結論與大多數大質量恒星在完全不產生射流和 GRB 的情況下死亡的觀點一致。更廣泛地說，該結果清楚地表明，僅爆發的持續時間并不能唯一地表明其起源。
