宇宙中最剧烈的爆炸！伽马射线暴平均每天发生一两次

宇宙中最剧烈的爆炸！伽马射线暴平均每天发生一两次

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核爆炸时也会产生伽马射线。

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质量巨大的恒星死亡时可能会形成黑洞。

　　美苏冷战期间，几颗美国的间谍卫星彻底改变了我们对宇宙的看法。

　　1963年，在古巴导弹危机差点让全世界卷入核战争的一年之后，美国发射了一组卫星，用来监视苏联。

　　当时，美苏两个超级大国刚刚签署了一项合约，禁止在大气层和太空中进行核试验。美国发射的数颗维拉号卫星分布在距地面10万公里的上空，确保苏联遵守了这项合约。

　　这些卫星可以检测到核爆炸产生的高能辐射，即伽马射线。1967年，这些卫星探测到了几次来源不明的辐射爆发。但这些爆炸似乎并不是由核弹产生的，而是来自于外太空。

　　这些神秘的现象一直处于保密状态，直到1973年才对外公布。没人知道它们究竟为何物，一连几十年过去，这些伽马射线一直令科学家感到困惑不解。

　　但冷战结束之后，在多架太空飞船和望远镜的帮助下，天文学家对这些伽马射线暴有了更好的了解。到目前为止，他们已经发现了6000次这样的爆发现象，平均每天都会发生一两次。

　　这些射线暴来自于宇宙中最神秘的天体：黑洞和中子星。它们是如此明亮，足以跨越广袤无垠的空间与时间，为我们留下恒星起源的种种线索。

　　由于伽马射线暴极其短暂，每次持续时间仅为几毫秒，因此它为我们展现的宇宙比此前想象的更加生机勃勃。天文学家发现，即使从人类的时间尺度来看，宇宙也算是一个爆炸丛生、变化多端的所在。

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太阳耀斑是一种威力巨大的辐射爆发。

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只有百分之一的超新星爆发时会产生伽马射线暴。

　　谜题更加费解

　　伽马射线是一种非常极端的射线。“它们是宇宙中亮度最高、威力最巨大的爆炸形式。”纽约大学的宇宙物理学家安德鲁?麦克法迪恩(Andrew MacFadyen)说道。

　　伽马射线爆发比整个星系还要明亮一百万倍。一束伽马射线爆发每秒钟产生的能量与整个可见宇宙的全部星光总和相当。

　　它们是电磁辐射中能量最强的一种，代表了宇宙中一些温度最高、威力最巨大的现象，如太阳耀斑、或向外喷吐气体和尘埃的黑洞等。

　　但由于地球的大气层能够吸收宇宙射线，一直到航天时代的到来，天文学家才发现宇宙中有如此多的伽马射线。

　　直到维拉号卫星等宇宙飞船升空之后，科学家才得以一瞥伽马射线的踪影，并发现了宇宙中存在伽马射线爆发这样的现象。

　　“我们在天文学中研究的大部分事物都在很久之前就已经发现了，比如恒星、星系和恒星等，”哈佛大学的一名天文学家埃多?博格(Edo Berger)说道，“但伽马射线的发现完全超出了我们的想象。”

　　在首次发现这一现象之后，维拉号等卫星又发现了更多的伽马射线暴，但当时还没有能对其进行研究的科学设备，因此相关数据相当有限。甚至没人知道这些射线暴距我们究竟有多远。但在人们初次发现伽马射线暴的近20年后，答案终于开始浮出水面了。

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伽马射线暴是宇宙中最明亮的爆炸。

　　1991年，NASA发射了一颗名叫“康普顿伽马射线天文台”的卫星，配备了第一台伽马射线暴探测设备，名叫BATSE(Burst and Transient Source Experiment)。

　　该设备探测到了数百次伽马射线暴。天文学家很快发现，伽马射线暴可以被分为截然不同的两类。

　　有些射线暴持续时间极短，仅有几毫秒。其它射线暴的时间则要长一些，能持续30秒甚至更久，说明这两类伽马射线暴可能是由不同的现象形成的。

　　但为了确定这些现象究竟是什么，天文学家首先要知道伽马射线暴来自何处。如果这些射线暴来自于银河系内部，就应该与银河平面(galactic plane)平行，以一条线的形状出现。

　　但BATSE设备发现，这些射线暴在空中呈均匀分布，说明它们是来自银河系之外的。

　　虽然听上去很有道理，但这些证据毕竟是间接推断出来的。天文学家还需要确定这些射线波距我们究竟有多远。为此，他们需要探测到“余辉”(afterglow)，即伽马射线消逝之后残留下来的辐射。

　　这些余辉会在其它波段上出现，如可见光和X射线等，其中包含了伽马射线暴的化学特征，即会在不同波段发光的辐射。当这些辐射向地球飞来时，不断膨胀的宇宙便会将其拉长，使波长变得更长。

　　这一膨胀率会随着距离而增加，因此只需测量辐射在到达地球时被拉伸了多少，便能确定射线暴距我们有多远。

　　但BATSE更像是一台探测器，而不是望远镜，因此它无法定位射线暴的具体位置。由于没有确切的位置，其它望远镜便无法及时跟进、观测射线暴的余辉。

　　直到1996年，意大利和荷兰共同发射了BeppoSax卫星，终于能以更高的精确度确定射线暴的位置。

　　1997年，BeppoSax卫星检测到了一次威力巨大的伽马射线暴。望远镜立刻对准了同一方向，终于抓住了一次余辉，让天文学家首次测量出了伽马射线暴距地球的距离。

　　天文学家得到的结果确凿无误：这次射线暴的确来自银河系之外，距我们约60亿光年。

　　不过，BeppoSax卫星的反应速度还不够快，无法抓住短射线暴的余辉，因此这一类射线暴暂时仍是一大谜团。

　　在接下来的几年之内，人们逐渐对长射线暴有了更精确的了解。

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这颗超新星位于M82星系，距我们约1200万光年。

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我们的宇宙充满了动力。

　　爆炸的恒星

　　科学家一直怀疑射线暴与某种极端天体有关，如黑洞或中子星。只有密度如此之大的天体，在强大的引力和磁场作用下，才能创造出如此短暂而高强度的射线暴。

　　黑洞和中子星都是巨型恒星惨烈死亡后的产物。当恒星燃料耗尽之后，它的核心便会崩塌成一颗中子星。而如果质量足够大的话，便会形成一个黑洞，密度大到连光线都无法从它的引力下逃脱。而如果恒星的外层忽然爆发的话，就会形成超新星。

　　超新星非常明亮。天文学家能够轻松地确定伽马射线暴的位置之后，他们发现伽马射线暴常常与超新星爆发同时发生。他们认为，这可能是因为死去的恒星在爆炸时释放的能量极多，从而产生了伽马射线。

　　但这种情境非常罕见，只有百分之一的超新星在爆发时会出现伽马射线暴。

　　当恒星崩塌成黑洞之后，剩下的气体会形成一个圆盘，围绕在黑洞周围，就像水聚集在排水口周围一样。物质被吸入黑洞中时，会释放出大量的能量，有些甚至会以接近光速的速度从黑洞中喷发出去。这些喷射物会产生伽马射线束，如果射线束朝向地球，就形成了伽马射线暴。

　　大多数天文学家都认为这是最具说服力的一种解释。“这确实能说得通，”麦克法迪恩说道，“但你还想百分之百地确定。”

　　确实还有很多问题没有得到解答。例如，人们仍不清楚这些射线暴的来源究竟是黑洞还是中子星。我们也不知道这些喷射物是如何产生的、是由什么构成的、以及它们是如何产生伽马射线的。

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Swift卫星既探测到了伽马射线暴，也抓拍到了恒星爆炸的情景(如图所示)。

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黑洞的密度极大，连光线也无法从它的引力下逃脱。

　　宇宙大冲撞

　　在二十一世纪之交，短射线暴的起源仍是天文学家面临的最大的未解之谜之一。至于长射线暴，解决问题的关键在于抓住射线暴的余辉，而这在当时是任何仪器都无能为力的。

　　因此，天文学家还需要另一架宇宙飞船来助力。2004年，NASA发射了Swift卫星。该卫星搭载了用于研究X射线和可见光波段余辉的望远镜，即使是最短的射线暴，它也能迅速判断射线暴所在的位置。不到六个月时间，Swift卫星就成功定位到了一次余辉。

　　“我们立刻就意识到，这次射线暴与长射线暴不同，” Swift任务的带头人尼尔?格瑞尔斯(Neil Gehrels)说道，“它并不是由恒星爆炸产生的。”

　　与长射线暴不同，这一次发现的射线暴并未与超新星爆发同时发生，而且它所属的星系类型也与此前不同。

　　长射线暴全部来源于类似银河系的螺旋星系。这些星系如同一片片沃土，孕育了许多恒星。能产生长射线暴的恒星必须质量很大，而且生命短暂，早早便夭亡了。

　　因此，在长射线暴的常见区域，必然有很多恒星在不断地孕育或消亡。但Swift卫星发现的射线暴来自一个满是衰老或死亡的恒星的星系。如果有恒星爆炸的话，肯定发生在很长时间之前。

　　所有这些迹象都指向了同一个假设：这次射线暴是由两颗中子星剧烈相撞形成的。根据天文学家的估算，宇宙中充满了成对的、绕对方轨道旋转的中子星。随着时间的推移，它们会靠得越来越近，最终合并在一起，释放出巨大的能量，也许还会产生伽马射线。

　　随着Swift卫星探测到更多的射线暴，局势也变得愈加明朗。“又发现了几次射线暴之后，我们终于能完全确定，之前的那次射线暴就是由中子星相撞时产生的。”

　　不过，大多数证据仍然是间接推断出来的。虽然到目前为止，所有的观测结果都与中子星合并的假说相符，但还没有人找到过板上钉钉的证据。例如，根据麦克法迪恩所言，中子星和黑洞相撞时也许也会产生短射线暴。

　　但人们很快便找到了进一步的证据。当两颗中子星靠近对方时，它们损失的能量会呈波纹状顺着空间和时间向外扩散，这一现象名叫引力波。爱因斯坦在一个世纪以前就预言过引力波的存在，一直到2015年才被美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接发现。

　　激光干涉引力波天文台的革命性发现来自于两个合并中的黑洞。但该天文台也应该能探测到中子星在合并时产生的引力波。

　　“这将成为一次了不起的发现，”麦克法迪恩说道，“在同一起事件中，你既能观测到明亮的伽马射线爆发，又能观测到明亮的引力波爆发。”这也将为中子星合并产生短射线暴的假说提供不容辩驳的证据。

　　全新的宇宙

　　如今，伽马射线暴已经不如过去那样神秘了。“这是一次非凡的探险。”格瑞尔斯说道。虽然许多研究人员在努力研究两类伽马射线暴的内在原理，但其他人则将其视为从过去照耀至今的宇宙“灯塔”。

　　由于伽马射线暴极为明亮，即使隔了很远的距离，穿梭了很长的时间，也依旧能被我们看见。最远的射线暴还是宇宙刚诞生4亿年时形成的。如果距离再远一些的话，它们就是最早期的恒星爆炸死亡时的产物。

　　“这样一来，我们就能看见宇宙中形成的第一批恒星了——至少能看见它们死亡时的模样。”博格说道，“我们居然能看见第一代恒星爆炸的过程，这个想法实在令人大为惊奇。”

　　还不止这些呢。射线暴产生的光线中也包含了射线暴周围气体的化学特征。通过分析射线暴在不同距离上产生的光线，天文学家便可以判断，在宇宙的不同历史时期，太空中存在哪些化学元素。对于理解宇宙的起源和形成过程而言，这一类信息可以说是至关重要的。

　　不过伽马射线最重要的贡献或许在于，它们大大改变了我们对宇宙的看法。“宇宙中的大部分东西都已经存在了很长时间，横亘了整个人类历史。”博格说道。恒星、行星、星系——数十亿年以来，它们都始终如一。

　　但伽马射线暴的发现改变了这一观点。“我们发现，宇宙中也有瞬息万变的东西，从出现到消失，仅仅过了数小时内、数分钟、甚至短短数秒。”

　　伽马射线为一类新的天文学扫平了道路。如今，望远镜正在一刻不停地凝望夜空，寻找各个波段上突然出现的一道闪光。这些信号可能来自于超新星爆发、拥有超大质量黑洞的闪耀星系、或是来自于某种我们仍未发现的东西。

　　但这些都说明，我们的宇宙充满了勃勃动力。为了更好地探索它，天文学家必须时刻做好准备，否则就可能会错失良机。