宇宙中最劇烈的爆炸！伽馬射線暴平均每天發(fā)生一兩次

　　核爆炸時(shí)也會(huì)產(chǎn)生伽馬射線。

　　質(zhì)量巨大的恒星死亡時(shí)可能會(huì)形成黑洞。

　　美蘇冷戰(zhàn)期間，幾顆美國(guó)的間諜衛(wèi)星徹底改變了我們對(duì)宇宙的看法。

　　1963年，在古巴導(dǎo)彈危機(jī)差點(diǎn)讓全世界卷入核戰(zhàn)爭(zhēng)的一年之后，美國(guó)發(fā)射了一組衛(wèi)星，用來(lái)監(jiān)視蘇聯(lián)。

　　當(dāng)時(shí)，美蘇兩個(gè)超級(jí)大國(guó)剛剛簽署了一項(xiàng)合約，禁止在大氣層和太空中進(jìn)行核試驗(yàn)。美國(guó)發(fā)射的數(shù)顆維拉號(hào)衛(wèi)星分布在距地面10萬(wàn)公里的上空，確保蘇聯(lián)遵守了這項(xiàng)合約。

　　這些衛(wèi)星可以檢測(cè)到核爆炸產(chǎn)生的高能輻射，即伽馬射線。1967年，這些衛(wèi)星探測(cè)到了幾次來(lái)源不明的輻射爆發(fā)。但這些爆炸似乎并不是由核彈產(chǎn)生的，而是來(lái)自于外太空。

　　這些神秘的現(xiàn)象一直處于保密狀態(tài)，直到1973年才對(duì)外公布。沒(méi)人知道它們究竟為何物，一連幾十年過(guò)去，這些伽馬射線一直令科學(xué)家感到困惑不解。

　　但冷戰(zhàn)結(jié)束之后，在多架太空飛船和望遠(yuǎn)鏡的幫助下，天文學(xué)家對(duì)這些伽馬射線暴有了更好的了解。到目前為止，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6000次這樣的爆發(fā)現(xiàn)象，平均每天都會(huì)發(fā)生一兩次。

　　這些射線暴來(lái)自于宇宙中最神秘的天體：黑洞和中子星。它們是如此明亮，足以跨越廣袤無(wú)垠的空間與時(shí)間，為我們留下恒星起源的種種線索。

　　由于伽馬射線暴極其短暫，每次持續(xù)時(shí)間僅為幾毫秒，因此它為我們展現(xiàn)的宇宙比此前想象的更加生機(jī)勃勃。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使從人類(lèi)的時(shí)間尺度來(lái)看，宇宙也算是一個(gè)爆炸叢生、變化多端的所在。

　　太陽(yáng)耀斑是一種威力巨大的輻射爆發(fā)。只有百分之一的超新星爆發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生伽馬射線暴。

　　謎題更加費(fèi)解

　　伽馬射線是一種非常極端的射線?！八鼈兪怯钪嬷辛炼茸罡?、威力最巨大的爆炸形式。”紐約大學(xué)的宇宙物理學(xué)家安德魯?麥克法迪恩(Andrew MacFadyen)說(shuō)道。

　　伽馬射線爆發(fā)比整個(gè)星系還要明亮一百萬(wàn)倍。一束伽馬射線爆發(fā)每秒鐘產(chǎn)生的能量與整個(gè)可見(jiàn)宇宙的全部星光總和相當(dāng)。

　　它們是電磁輻射中能量最強(qiáng)的一種，代表了宇宙中一些溫度最高、威力最巨大的現(xiàn)象，如太陽(yáng)耀斑、或向外噴吐氣體和塵埃的黑洞等。

　　但由于地球的大氣層能夠吸收宇宙射線，一直到航天時(shí)代的到來(lái)，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)宇宙中有如此多的伽馬射線。

　　直到維拉號(hào)衛(wèi)星等宇宙飛船升空之后，科學(xué)家才得以一瞥伽馬射線的蹤影，并發(fā)現(xiàn)了宇宙中存在伽馬射線爆發(fā)這樣的現(xiàn)象。

　　“我們?cè)谔煳膶W(xué)中研究的大部分事物都在很久之前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，比如恒星、星系和恒星等，”哈佛大學(xué)的一名天文學(xué)家埃多?博格(Edo Berger)說(shuō)道，“但伽馬射線的發(fā)現(xiàn)完全超出了我們的想象?！?

　　在首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象之后，維拉號(hào)等衛(wèi)星又發(fā)現(xiàn)了更多的伽馬射線暴，但當(dāng)時(shí)還沒(méi)有能對(duì)其進(jìn)行研究的科學(xué)設(shè)備，因此相關(guān)數(shù)據(jù)相當(dāng)有限。甚至沒(méi)人知道這些射線暴距我們究竟有多遠(yuǎn)。但在人們初次發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴的近20年后，答案終于開(kāi)始浮出水面了。

　　伽馬射線暴是宇宙中最明亮的爆炸。

　　1991年，NASA發(fā)射了一顆名叫“康普頓伽馬射線天文臺(tái)”的衛(wèi)星，配備了第一臺(tái)伽馬射線暴探測(cè)設(shè)備，名叫BATSE(Burst and Transient Source Experiment)。

　　該設(shè)備探測(cè)到了數(shù)百次伽馬射線暴。天文學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，伽馬射線暴可以被分為截然不同的兩類(lèi)。

　　有些射線暴持續(xù)時(shí)間極短，僅有幾毫秒。其它射線暴的時(shí)間則要長(zhǎng)一些，能持續(xù)30秒甚至更久，說(shuō)明這兩類(lèi)伽馬射線暴可能是由不同的現(xiàn)象形成的。

　　但為了確定這些現(xiàn)象究竟是什么，天文學(xué)家首先要知道伽馬射線暴來(lái)自何處。如果這些射線暴來(lái)自于銀河系內(nèi)部，就應(yīng)該與銀河平面(galactic plane)平行，以一條線的形狀出現(xiàn)。

　　但BATSE設(shè)備發(fā)現(xiàn)，這些射線暴在空中呈均勻分布，說(shuō)明它們是來(lái)自銀河系之外的。

　　雖然聽(tīng)上去很有道理，但這些證據(jù)畢竟是間接推斷出來(lái)的。天文學(xué)家還需要確定這些射線波距我們究竟有多遠(yuǎn)。為此，他們需要探測(cè)到“余輝”(afterglow)，即伽馬射線消逝之后殘留下來(lái)的輻射。

　　這些余輝會(huì)在其它波段上出現(xiàn)，如可見(jiàn)光和X射線等，其中包含了伽馬射線暴的化學(xué)特征，即會(huì)在不同波段發(fā)光的輻射。當(dāng)這些輻射向地球飛來(lái)時(shí)，不斷膨脹的宇宙便會(huì)將其拉長(zhǎng)，使波長(zhǎng)變得更長(zhǎng)。

　　這一膨脹率會(huì)隨著距離而增加，因此只需測(cè)量輻射在到達(dá)地球時(shí)被拉伸了多少，便能確定射線暴距我們有多遠(yuǎn)。

　　但BATSE更像是一臺(tái)探測(cè)器，而不是望遠(yuǎn)鏡，因此它無(wú)法定位射線暴的具體位置。由于沒(méi)有確切的位置，其它望遠(yuǎn)鏡便無(wú)法及時(shí)跟進(jìn)、觀測(cè)射線暴的余輝。

　　直到1996年，意大利和荷蘭共同發(fā)射了BeppoSax衛(wèi)星，終于能以更高的精確度確定射線暴的位置。

　　1997年，BeppoSax衛(wèi)星檢測(cè)到了一次威力巨大的伽馬射線暴。望遠(yuǎn)鏡立刻對(duì)準(zhǔn)了同一方向，終于抓住了一次余輝，讓天文學(xué)家首次測(cè)量出了伽馬射線暴距地球的距離。

　　天文學(xué)家得到的結(jié)果確鑿無(wú)誤：這次射線暴的確來(lái)自銀河系之外，距我們約60億光年。

　　不過(guò)，BeppoSax衛(wèi)星的反應(yīng)速度還不夠快，無(wú)法抓住短射線暴的余輝，因此這一類(lèi)射線暴暫時(shí)仍是一大謎團(tuán)。

　　在接下來(lái)的幾年之內(nèi)，人們逐漸對(duì)長(zhǎng)射線暴有了更精確的了解。

　　這顆超新星位于M82星系，距我們約1200萬(wàn)光年。我們的宇宙充滿了動(dòng)力。

　　爆炸的恒星

　　科學(xué)家一直懷疑射線暴與某種極端天體有關(guān)，如黑洞或中子星。只有密度如此之大的天體，在強(qiáng)大的引力和磁場(chǎng)作用下，才能創(chuàng)造出如此短暫而高強(qiáng)度的射線暴。

　　黑洞和中子星都是巨型恒星慘烈死亡后的產(chǎn)物。當(dāng)恒星燃料耗盡之后，它的核心便會(huì)崩塌成一顆中子星。而如果質(zhì)量足夠大的話，便會(huì)形成一個(gè)黑洞，密度大到連光線都無(wú)法從它的引力下逃脫。而如果恒星的外層忽然爆發(fā)的話，就會(huì)形成超新星。

　　超新星非常明亮。天文學(xué)家能夠輕松地確定伽馬射線暴的位置之后，他們發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴常常與超新星爆發(fā)同時(shí)發(fā)生。他們認(rèn)為，這可能是因?yàn)樗廊サ暮阈窃诒〞r(shí)釋放的能量極多，從而產(chǎn)生了伽馬射線。

　　但這種情境非常罕見(jiàn)，只有百分之一的超新星在爆發(fā)時(shí)會(huì)出現(xiàn)伽馬射線暴。

　　當(dāng)恒星崩塌成黑洞之后，剩下的氣體會(huì)形成一個(gè)圓盤(pán)，圍繞在黑洞周?chē)拖袼奂谂潘谥車(chē)粯?。物質(zhì)被吸入黑洞中時(shí)，會(huì)釋放出大量的能量，有些甚至?xí)越咏馑俚乃俣葟暮诙粗袊姲l(fā)出去。這些噴射物會(huì)產(chǎn)生伽馬射線束，如果射線束朝向地球，就形成了伽馬射線暴。

　　大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為這是最具說(shuō)服力的一種解釋?！斑@確實(shí)能說(shuō)得通，”麥克法迪恩說(shuō)道，“但你還想百分之百地確定?！?

　　確實(shí)還有很多問(wèn)題沒(méi)有得到解答。例如，人們?nèi)圆磺宄@些射線暴的來(lái)源究竟是黑洞還是中子星。我們也不知道這些噴射物是如何產(chǎn)生的、是由什么構(gòu)成的、以及它們是如何產(chǎn)生伽馬射線的。

　　Swift衛(wèi)星既探測(cè)到了伽馬射線暴，也抓拍到了恒星爆炸的情景(如圖所示)。黑洞的密度極大，連光線也無(wú)法從它的引力下逃脫?！　∮钪娲鬀_撞

　　在二十一世紀(jì)之交，短射線暴的起源仍是天文學(xué)家面臨的最大的未解之謎之一。至于長(zhǎng)射線暴，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于抓住射線暴的余輝，而這在當(dāng)時(shí)是任何儀器都無(wú)能為力的。

　　因此，天文學(xué)家還需要另一架宇宙飛船來(lái)助力。2004年，NASA發(fā)射了Swift衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭載了用于研究X射線和可見(jiàn)光波段余輝的望遠(yuǎn)鏡，即使是最短的射線暴，它也能迅速判斷射線暴所在的位置。不到六個(gè)月時(shí)間，Swift衛(wèi)星就成功定位到了一次余輝。

　　“我們立刻就意識(shí)到，這次射線暴與長(zhǎng)射線暴不同，” Swift任務(wù)的帶頭人尼爾?格瑞爾斯(Neil Gehrels)說(shuō)道，“它并不是由恒星爆炸產(chǎn)生的?！?

　　與長(zhǎng)射線暴不同，這一次發(fā)現(xiàn)的射線暴并未與超新星爆發(fā)同時(shí)發(fā)生，而且它所屬的星系類(lèi)型也與此前不同。

　　長(zhǎng)射線暴全部來(lái)源于類(lèi)似銀河系的螺旋星系。這些星系如同一片片沃土，孕育了許多恒星。能產(chǎn)生長(zhǎng)射線暴的恒星必須質(zhì)量很大，而且生命短暫，早早便夭亡了。

　　因此，在長(zhǎng)射線暴的常見(jiàn)區(qū)域，必然有很多恒星在不斷地孕育或消亡。但Swift衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的射線暴來(lái)自一個(gè)滿是衰老或死亡的恒星的星系。如果有恒星爆炸的話，肯定發(fā)生在很長(zhǎng)時(shí)間之前。

　　所有這些跡象都指向了同一個(gè)假設(shè)：這次射線暴是由兩顆中子星劇烈相撞形成的。根據(jù)天文學(xué)家的估算，宇宙中充滿了成對(duì)的、繞對(duì)方軌道旋轉(zhuǎn)的中子星。隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)靠得越來(lái)越近，最終合并在一起，釋放出巨大的能量，也許還會(huì)產(chǎn)生伽馬射線。

　　隨著Swift衛(wèi)星探測(cè)到更多的射線暴，局勢(shì)也變得愈加明朗?！坝职l(fā)現(xiàn)了幾次射線暴之后，我們終于能完全確定，之前的那次射線暴就是由中子星相撞時(shí)產(chǎn)生的?！?

　　不過(guò)，大多數(shù)證據(jù)仍然是間接推斷出來(lái)的。雖然到目前為止，所有的觀測(cè)結(jié)果都與中子星合并的假說(shuō)相符，但還沒(méi)有人找到過(guò)板上釘釘?shù)淖C據(jù)。例如，根據(jù)麥克法迪恩所言，中子星和黑洞相撞時(shí)也許也會(huì)產(chǎn)生短射線暴。

　　但人們很快便找到了進(jìn)一步的證據(jù)。當(dāng)兩顆中子星靠近對(duì)方時(shí)，它們損失的能量會(huì)呈波紋狀順著空間和時(shí)間向外擴(kuò)散，這一現(xiàn)象名叫引力波。愛(ài)因斯坦在一個(gè)世紀(jì)以前就預(yù)言過(guò)引力波的存在，一直到2015年才被美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)首次直接發(fā)現(xiàn)。

　　激光干涉引力波天文臺(tái)的革命性發(fā)現(xiàn)來(lái)自于兩個(gè)合并中的黑洞。但該天文臺(tái)也應(yīng)該能探測(cè)到中子星在合并時(shí)產(chǎn)生的引力波。

　　“這將成為一次了不起的發(fā)現(xiàn)，”麥克法迪恩說(shuō)道，“在同一起事件中，你既能觀測(cè)到明亮的伽馬射線爆發(fā)，又能觀測(cè)到明亮的引力波爆發(fā)。”這也將為中子星合并產(chǎn)生短射線暴的假說(shuō)提供不容辯駁的證據(jù)。

　　全新的宇宙

　　如今，伽馬射線暴已經(jīng)不如過(guò)去那樣神秘了?！斑@是一次非凡的探險(xiǎn)?！备袢馉査拐f(shuō)道。雖然許多研究人員在努力研究?jī)深?lèi)伽馬射線暴的內(nèi)在原理，但其他人則將其視為從過(guò)去照耀至今的宇宙“燈塔”。

　　由于伽馬射線暴極為明亮，即使隔了很遠(yuǎn)的距離，穿梭了很長(zhǎng)的時(shí)間，也依舊能被我們看見(jiàn)。最遠(yuǎn)的射線暴還是宇宙剛誕生4億年時(shí)形成的。如果距離再遠(yuǎn)一些的話，它們就是最早期的恒星爆炸死亡時(shí)的產(chǎn)物。

　　“這樣一來(lái)，我們就能看見(jiàn)宇宙中形成的第一批恒星了——至少能看見(jiàn)它們死亡時(shí)的模樣?！辈└裾f(shuō)道，“我們居然能看見(jiàn)第一代恒星爆炸的過(guò)程，這個(gè)想法實(shí)在令人大為驚奇?！?

　　還不止這些呢。射線暴產(chǎn)生的光線中也包含了射線暴周?chē)鷼怏w的化學(xué)特征。通過(guò)分析射線暴在不同距離上產(chǎn)生的光線，天文學(xué)家便可以判斷，在宇宙的不同歷史時(shí)期，太空中存在哪些化學(xué)元素。對(duì)于理解宇宙的起源和形成過(guò)程而言，這一類(lèi)信息可以說(shuō)是至關(guān)重要的。

　　不過(guò)伽馬射線最重要的貢獻(xiàn)或許在于，它們大大改變了我們對(duì)宇宙的看法?！坝钪嬷械拇蟛糠謻|西都已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，橫亙了整個(gè)人類(lèi)歷史?！辈└裾f(shuō)道。恒星、行星、星系——數(shù)十億年以來(lái)，它們都始終如一。

　　但伽馬射線暴的發(fā)現(xiàn)改變了這一觀點(diǎn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，宇宙中也有瞬息萬(wàn)變的東西，從出現(xiàn)到消失，僅僅過(guò)了數(shù)小時(shí)內(nèi)、數(shù)分鐘、甚至短短數(shù)秒?！?

　　伽馬射線為一類(lèi)新的天文學(xué)掃平了道路。如今，望遠(yuǎn)鏡正在一刻不停地凝望夜空，尋找各個(gè)波段上突然出現(xiàn)的一道閃光。這些信號(hào)可能來(lái)自于超新星爆發(fā)、擁有超大質(zhì)量黑洞的閃耀星系、或是來(lái)自于某種我們?nèi)晕窗l(fā)現(xiàn)的東西。

　　但這些都說(shuō)明，我們的宇宙充滿了勃勃?jiǎng)恿Α榱烁玫靥剿魉?，天文學(xué)家必須時(shí)刻做好準(zhǔn)備，否則就可能會(huì)錯(cuò)失良機(jī)。