天文
伽马射线暴：十年研究总结
伽马射线暴研究十年突破，从爆发起源到喷流结构，揭示宇宙深层奥秘。
伽马射线暴(GRBs)自上世纪90年代初被确认具有宇宙学起源以来，以其短暂却释放惊人能量的特点，引发了天文学界的持续关注。这些爆发释放的伽马射线能量可达10^50-10^53尔格，持续仅数秒，其现象学复杂多样，横跨电磁波谱的所有波段，从无线电到太赫兹。而快速变化的光变曲线，有时短至0.01秒，更让其成为理论模型的挑战者。
尽管这一领域在不断成熟，但许多根本性问题依旧未解。过去十年内，大量研究(自2014年以来发表的相关论文超过18,000篇)推动了对伽马射线暴起源、喷流机制和辐射过程的理解，同时也打开了新的未知领域。这一阶段性回顾不仅揭示了科学的进展，也为未来的研究指明了方向。
伽马射线暴分为两大类：“短时”爆发平均持续几分之一秒，“长时”爆发约为20秒，还有一种更少见的“超长时”爆发，持续时间超过10,000秒。这些爆发尽管在持续时间和光变曲线形态上差异明显，却共享一些共同的光谱特征，包括亚兆电子伏能量范围的峰值和通常由“断裂幂律”模型描述的光谱形态。近年来，更高能量的分量(如太赫兹辐射)和一系列非重复特性引发了研究者的兴趣。
显示伽玛射线暴“火球”模型基本成分的插图。(1)能量的来源是一颗大质量星星的坍缩(或双星合并，这里没有显示)。(2)部分能量用于产生相对论性喷流。这可以通过热光子(“火球”)或磁场来介导。(3)热光子在光球层退耦。(4)部分喷流动能被耗散(在这张图中，通过内部碰撞)，产生了观测到的射线。(5)剩余的动能被沉积到周围的介质中，加热它并产生观察到的余辉。
理论上，经典的“火球”模型自上世纪80年代确立以来仍是伽马射线暴研究的基础框架。该模型认为，伴随黑洞形成的剧烈爆炸产生了相对论性喷流。喷流中的能量通过内部冲击波或磁重联等机制耗散，形成观测到的瞬时辐射信号。随后，喷流扩展到星际介质中，产生的外部冲击波进一步释放能量，形成持续更久的余辉辐射。这些过程通过同步加速非热粒子和产生磁场来完成，最终形成了以非热辐射为主的辐射光谱。
磁场在喷流加速和能量耗散中的角色仍存在争议。传统模型假设喷流主要由重子主导，而“磁化火球”模型则认为电磁能量占主导，通过磁重联加速和加热气体。尽管这一模型有诸多优势，但仍需进一步验证。
过去十年的研究推动了对伽马射线暴起源和喷流机制的深入理解。例如，长时爆发被广泛认为起源于大质量恒星的坍缩，而短时爆发则与双星并合有关。然而，一些特殊案例的发现，如GW/GRB170817事件，提示短时爆发的起源可能比想象中更为复杂。此外，喷流的结构和动力学也得到了更新认识，尤其是GW/GRB170817的研究表明喷流并非简单的“顶部平帽”结构。
辐射机制的理解也在不断发展。早期模型认为冲击波是主要的能量耗散方式，但近年来磁重联机制得到了更多支持。同时，高质量数据的获取推动了对替代辐射模型的兴趣，如质子同步辐射。新的观测结果，例如GRB221009A中发现的正负电子对湮灭线，为瞬时辐射物理提供了重要线索。
伽马射线暴研究领域虽然面临许多未解之谜，但不断涌现的新数据和理论使未来十年充满希望。这些爆发不仅挑战了人类对宇宙的理解，也以其短暂却炽热的光芒，照亮了天文学的未知疆域。
全文：https://arxiv.org/html/2412.18681v1