^☆本文源自国家自然科学基金委员会政策局2017年12月完成的《学科发展态势评估系列研究报告》之《天文学十年：中国与世界》。

伽马射线暴（简称伽马暴）是起源于大质量恒星坍缩（长伽马暴）或者致密双星并合（短伽马暴）等短时标极端剧烈的高能灾变天体,是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象,也是宇宙宏观速度最快的天体。伽马暴本身辐射及其余辉辐射来自新生黑洞或者磁星所驱动的极端相对论喷流,并且理论上预期其还伴随强引力波、高能中微子和高能宇宙线辐射。因此,伽马暴是研究黑洞（或者磁星）物理、粒子物理、相对论物理、高能宇宙线物理、高能中微子物理的极端条件天体实验室,是多信使天文、时域天文观测的重要目标源。同时,伽马暴还是研究宇宙早期恒星形成和演化、高红移星系、高红移宇宙学的重要探针。伽马暴研究横跨当今天文学、宇宙学、物理学等学科领域,为科学前沿“两暗一黑三起源”（暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源）的重要研究对象,不仅发现特别多,而且科学意义重大,是当今国际竞争最激烈的自然科学研究领域之一。中国一系列重大观测计划把伽马界相关的研究列为重要甚至首要科学目标。

从发展态势看,今后5~10年与伽马暴密切关联的研究热点主要集中在以下6个方面。

（1）短伽马暴和引力波暴关联性问题研究

2016年2月11日,国际激光干涉引力波天文台LIGO宣布人类首次直接探测到引力波, 来自GW 150914。这个重大发现不仅证实了爱因斯坦广义相对论预言,而且打开了人类聆听宇宙的新窗口。由于其电磁对应体还没有明确探测到,人们对它的认识还是非常有限。电磁对应体的探测,对证认引力波暴的天体物理起源,以及研究引力波暴本身的物理过程、宇宙超重元素起源、宇宙学哈勃常数精确测量等具有极其重要的科学意义。目前普谝认为,LIGO探测到的两个引力波事例均来自两个恒星级黑洞组成的双星系统并合所致,但是双黑洞并合是否存在电磁辐射还具有很大争议。幸运的是,未来LIGO预期能探测到中子星双星（另外一颗是恒星级黑洞或中子星）并合产生的引力波事件就具有丰富的电磁信号。例如,一般认为短伽马暴就是起源于中子星双星并合, 因此人们期待短伽马暴也应该伴随强引力波辐射。今后5~10年将是短伽马暴和引力波暴关联性的观测和理论研究的重要机遇期。中国硬X射线卫星HXMT、中法合作卫星SVOM、爱因斯坦探针EP、地基广角光学相机阵（GWAC）及其后随望远镜、中国南极昆仑站天文台光学巡天望远镜、空间2 m光学巡天望远镜以及中国12 m光学红外望远镜LOT等,将在伽马射线、X射线、光学几个波段开展观测研究,并与LIGO团队签署合作备忘录,开展引力波电磁对应体的联测。尽管中国错过了引力波发现,但是有望在其电磁对应体的发现上有重要建树。

（2）短伽马暴极早期余辉和各种伴随电磁辐射新信号的观测和理论研究

短伽马暴寄主星系的观测已经初步证实,伽马暴起源于致密天体的并合。由于短暴持续时间极短,目前尚没有设备能通过快速响应观测暴后30 s以内的极早期余辉。一些理论模型预言了短暴余辉中可能混合多种过程产生的电磁信号,例如巨新星。这已经在个别事例的观测中找到相关的迹象,但是仍然非常不确定。短伽马暴极早期余辉和各种伴随新信号携带其中心天体性质的重要信息,也非常有助于理解其中心天体的引力波辐射。目前,国际上一批快速响应望远镜或者守株待兔式的宽视场监测设备正在建设,甚至已经开始工作,有望在这个方向取得突破。由于理论预言这些新的电磁信号特别是巨新星辐射主要在红外-光学波段,地基广角光学相机阵（GWAC）及其后随望远镜、空间2 m光学巡天望远镜、南极巡天望远镜以及中国12 m光学红外望远镜LOT等设备有望探测到这类电磁信号。

（3）伽马暴与恒星和星系形成演化、宇宙学相关的研究

长伽马暴起源于大质量恒星的塌缩,是检验恒星演化理论、超新星爆发机制的重要目标源。尤其是大质量恒星与第一代恒星密切关联,因此伽马暴是研究宇宙恒星形成历史、金属丰度演化历史、早期宇宙再电离历史等的重要探针。宇宙再电离光子可能起源于第一代恒星或高红移类星体,但具体过程仍不清楚,是当今宇宙学研究热点之一。而且,伽马暴极其明亮又不受消光等因素影响,是测量宇宙学参量和暗能量可能演化的重要探针。随着国际30 m望远镜TMT、中国12 m光学红外望远镜LOT等大型光学设备的建设和投入使用,人们将获取伽马暴本身及其余辉、寄主星系丰富的光谱数据,这些数据将为本领域重要的前沿研究带来机遇。

（4）伽马暴与黑洞物理、中子星物理相关的观测和理论研究

部分伽马暴中心天体可能是快速旋转的新生黑洞或者强磁场中子星。伽马暴是这些新生致密天体的重要探针,其呈现的极端观测现象蕴含着这些天体形成、超吸积过程、极端相对论喷流驱动过程的重要信息。引力波探测为这些问题的研究注入了新的活力。此外,中国搭载在天空二号在轨运行的伽马射线偏振探测器POLAR是本领域末来 5年的最主要设备,将引领这个领域的国际观测研究。

（5）伽马暴高能辐射研究

极高能宇宙线和高能中微子的起源是当今重大科学前沿课题,是中国高海拔宇宙观测站 （LHAASO）和南极中微子实验（lceCube）等重大科学计划的主要科学目标。伽马暴由于其极端的物理条件,被预言能产生高能中微子和极高能宇宙线,从而成为当今多信使天文学研究的重要目标源。这个问题的研究不仅仅有助于揭开高能中微子和宇宙线起源问题,而且直接探知伽马暴喷流组分和粒子加速,为理解伽马暴的中心引擎、辐射机制提供重要信息。lceCube不断积累观测结果,LHASSO等高能宇宙线探测设备也将很快建设并投入观测。因此,伽马暴的高能中微子和高能宇宙线探测和理论研究将迎来极其难得的研究机遇。

（6）伽马暴与快速射电暴可能成协性观测和理论研究问题

快速射电暴发现已有10年,但是其物理起源未知。目前有观测认为,这些极端短时标的事件可能跟新生磁星活动有关,因此有可能与伽马暴事件有关联。相关的迹象最近已经有报道。中国位于贵州平塘的500 m口径射电望远镜FAST与空间高能设备的联合观测有望揭开这个谜。

近年来,在国家自然科学基金委员会、科技部等机构的资助下,中国学者在伽马暴领域的研究取得了一批具有国际显示度的研究成果。从统计数据看,在2010–2014年的5年间,中国学者在伽马暴领域发表的SCI论文总数为330篇,被引频次为5 997次,国际排名与上个5年（2005–2009年）比上升了1位,从第6位上升到第5位。但是有影响力的研究成果还不多,2010–2014年高被引论文为16篇,排名仅处于世界第9位,与排名世界第1的美国相比差异更为显著。令人兴奋的是,中国在伽马暴领域的研究态势良好,从之前的紧跟欧美逐步走到引领的局面。主要特点如下。

在观测研究上,在中国科学院高能物理研究所和中国科学院国家天文台的牵头下,一批以伽马暴为主要学科目标的空间和地基观测计划陆续投入运行,逐步改变了中国学者缺乏第一手观测资料的局面。HXMT、SVOM、POLAR等空间计划项目获得立项实施以后,中国空间高能探测技术发展迅速,国际学术影响力稳步提升。从早期的气球探测到2016年POLAR探测器的发射,中国伽马暴空间探测完成了技术的积累,走到了新的发展阶段。POLAR将首先精确测量伽马暴本身辐射的偏振,为理解伽马暴中心天体和喷流辐射物理带来重要信息。目前POLAR已经在轨运行,并成功探测到了伽马暴事件。同时,中法合作卫星SVOM也在稳步推进,将在2021年左右发射,届时它将成为在轨运行的唯一伽马暴事件触发卫星。地基观测上,中国科学院国家天文台伽马暴观测团队利用现有的光学望远镜对空间高能探测器触发的伽马暴事件开展余辉观测,在早期光学余辉观测上已经取得了丰富的数据。尤其是中国科学院国家天文台与广西大学、南京大学合作建设了地基广角光学观测系统,用以开展伽马暴本身及其极早期光学辐射探测。在射电波段,FAST已经交付使用,在伽马暴余辉观测上将发挥重要作用。可以预见,今后3~5年中国在伽马暴观测上将逐步处于先进地位。

在理论研究和数据分析研究上,中国拥有一支活跃在最前沿的研究队伍,研究力量主要分布在南京大学、广西大学、中国科学院紫金山天文台、中国科学院国家天文台、北京大学、北京师范大学、中国科学院上海天文台、厦门大学、华中科技大学、华中师范大学、云南天文台等单位。通过国家自然科学基金、973计划、国家重大研发计划以及多个省部级项目的资助,形成了围绕中国重大空间观测计划科学目标的协同攻关团队,取得了具有重要国际影响力的成果。比如,南京大学、中国科学院紫金山天文台伽马暴团队在伽马暴中心能源机制和余辉模型研究上处于国际领先地位。南京大学关千伽马暴宇宙学、伽马暴中心引擎的后期活动研究处于国际领先水平,研究论文发表在Science、Nature Physics等杂志上。广西大学、中国科学院国家天文台长期利用Swift卫星和Fermi卫星等的观测数据,以及利用兴隆基地光学望远镜开展观测获取的第一手观测数据,系统揭示了伽马暴及其余辉各种辐射成分及其演化。中国科学院紫金山天文台团队利用共享数据发现短伽马暴余辉后期的巨新星辐射信号,推测其起源于中子星-黑洞并合,研究论文发表在Nature Communications上。他们还利用伽马暴的观测结果深入开展伽马暴宇宙学和限制物理学基本假设,研究结果发表在Physical Review Letters等期刊上。南京大学、北京大学团队利用Fermi卫星、lceCube等设备的观测数据,在伽马暴本身辐射机制、高能中微子和高能宇宙线理论研究方面,厦门大学、华中科技大学在伽马暴中心引擎模型研究方面,均取得重要进展。最近,华中师范大学研究团队提出致密天体并合形成一类新的并合新星,这类并合新星可能成为今后的引力波电磁对应体,引起了国际同行的广泛关注。

纵观伽马暴研究历史,我们看到,每一次观测取得突破,都会带来伽马暴的研究高潮。中国主导的POLAR和SVOM等空间观测设备已陆续或者即将投入使用,未来10年将迎来科学发现的重要机遇。我们的研究力量覆盖了伽马暴的各个方面。鉴于伽马暴领域的发展态势和中国已经具有的研究基础,建议国家布局跨学科的重大研究计划,促进中国相关科学设备成果的最大化,全面提升中国在这个领域的国际影响力。