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伽马射线暴:扩展的量天尺

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  现在,韦伯太空望远镜已经投入使用,天文学家可以研究一些有史以来最遥远、最黯淡的星系。据说,我们可能已经捕捉到了其中的一个,该星系形成于宇宙只有3亿年的时候,但是还不能完全确定它的距离。确定一个天体距离我们有多远,这在天文学上从来是个棘手的问题。

  如何测量一个最遥远星系的距离呢?如果你是一名天文学家,你会知道,除了观测它的红移,别无他法。因为根据哈勃定律,一个星系离开我们的速度与它的距离成正比(V=HD,V为速度,D为距离,H为哈勃常数)。星系的速度是容易算的,因为它与光谱的红移量成正比。哈勃常数呢,如果宇宙自诞生以来一直在以匀速膨胀,那倒好办,我们只要找一个可作为标准烛光的天体(所谓标准烛光,就是可以通过比较它的视亮度和真实亮度来确定其距离),计算出它的哈勃常数,再把这个哈勃常数应用于任何星系即可。

  宇宙“量天尺”如何建立?

  但遗憾的是,我们的宇宙并非在匀速膨胀,至少现在是在加速膨胀,因此没有一个放之全宇宙而皆准的哈勃常数,这个常数通常随着距离而有所变化。

伽马射线暴或可扩展“量天尺”

  在这种情况下,天文学家采用了数学家在微积分中常用的一种近似办法,即:以地球为中心,沿纵向把宇宙的距离分成尽可能小的一段一段;每一段的起点和终点各选取两个可作为标准烛光的天体;标准烛光的距离是容易测量的,知道了两者距离我们有多远,同时通过测量其红移量确定它们各自的速度,我们就可以计算出两个标准烛光的哈勃常数;然后把两个哈勃常数取平均值,就可以近似地当作介于两个标准烛光之间的任何天体的哈勃常数;用这个哈勃常数结合红移量,就可以计算出该天体的距离。我们的“量天尺”就是这样一步步建立起来的。至于最遥远的天体的距离,我们只能用最遥远的两个标准烛光外推。

  至于标准烛光,由一系列距离不等的变星和Ia型超新星来充当,因为它们的真实亮度或亮度变化理论上是可以预测的,这样就可以与其视亮度进行比较,从而准确地确定它们的距离。

  什么是伽马射线暴?

  不过,虽然变星和超新星在宇宙中算是一类比较明亮的天体,但一旦涉及宇宙中极其遥远的距离,甚至连它们也太暗淡了。我们迫切需要更明亮的标准烛光。最近,天文学家发现,神秘的伽马射线暴(GRB)或许可以充当这样的角色。

伽马射线爆发时,产生的能量被射入两个狭窄的、方向相反的喷射流中。

当其中一股喷流指向地球时,我们就会看到这些爆发(艺术图)。

  GRB,即伽马射线的短暂爆发。它们可能是由巨型恒星的超新星爆发引起的。GRB是宇宙中最明亮的天体之一,一个GRB所释放的能量比太阳在其整个100亿年的寿命中所释放的能量还要多。

  GRB的主体是伽马射线,这是一种高能量、肉眼不可见的电磁波,需要用伽马射线望远镜才能探测到。GRB的主体伽马射线,其亮度变化很复杂,很难找到一个共同的模式,当然也就不合适可作标准烛光。

  伽马射线暴或可扩展 “量天尺”

  但是在GRB的辐射中,除了伽马射线,还有其他波长的电磁波,其中也包括可见光。

  最近,日本天文家在检查了500个伽玛射线暴中的可见光部分之后,发现其中179个伽玛射线暴的真实亮度(这些GRB中的许多都离我们足够近,它们的距离是已知的,所以能够用它们的视亮度来计算出真实亮度)的变化表现出高度的一致——可能是由快速旋转的新生中子星引起的,因此具有高度可预测性。如此一来,GRB的可见光部分就可以充当标准烛光了。

  这个发现意义重大。首先,这意味着,在极其遥远的地方,假如能探测到这种类型的GRB,天文学家就可以用它们来扩展我们的“量天尺”范围。现在有了韦伯太空望远镜,这一点也许很快就能实现。

  其次,目前天文学家对最近距离内的哈勃常数值争论不休。现有两个哈勃常数值,一个是通过标准烛光测量得到的,一个是通过把宇宙微波背景输入到标准模型中计算得到的,两个值在误差范围内无法达成一致。这就迫切需要由第三者来裁决。而GRB就可以充当此角色。

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