尋蹤“伽馬暴”

在令人震驚的能量大暴發(fā)背后，到底隱藏著宇宙什么樣的“終極秘密”

自137億年前宇宙創(chuàng)生大爆炸以來(lái)，人類所了解到的最為猛烈的能量釋放，或許非“伽馬射線大暴發(fā)”（GRB，下稱“伽馬暴”）莫屬。在短短以秒計(jì)算的時(shí)間內(nèi)，它釋放出的能量，比太陽(yáng)整個(gè)生命周期釋放的能量總和還要高出百倍。這種爆炸足以照亮整個(gè)宇宙。

這種令人驚駭?shù)哪芰看蟊ū澈螅蛟S隱藏著宇宙更深層次的秘密。因此，“伽馬暴”在過(guò)去40多年中，一直是天文學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

按照計(jì)劃，美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2008年6月11日，美國(guó)宇航局（NASA）的GLAST空間天文望遠(yuǎn)鏡將搭乘“德爾塔”火箭升空，這也是科學(xué)家試圖揭開“伽馬暴”秘密的最新嘗試。

GLAST，全稱為“伽馬射線廣域空間望遠(yuǎn)鏡”（Gamma-ray Large Area Space Telescope），按照其首席科學(xué)家斯蒂芬里茲（Steve Ritz）的說(shuō)法，這將是人類發(fā)射的第一個(gè)可以在三個(gè)小時(shí)內(nèi)巡視整個(gè)天空的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。

此前，2004年升空的“雨燕”（SWIFT）探測(cè)器，已經(jīng)大大擴(kuò)展了人類對(duì)于“伽馬暴”的理解，但是很多至關(guān)重要的問(wèn)題卻仍然懸而未決。

“雨燕”首席科學(xué)家兼GLAST的副首席科學(xué)家尼爾格瑞爾斯（Neil Gehrels）對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，GLAST將和“雨燕”一起，為人類打開一個(gè)關(guān)于“伽馬暴”所有重要信息的“金礦”。

無(wú)心之得

早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家菲利浦莫里森（Philip Morrison）等人就預(yù)測(cè)，在我們所處的銀河系中，當(dāng)高能量的宇宙射線與星際物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)，有可能產(chǎn)生伽馬射線。

所謂伽馬射線，和我們所熟悉的可見光、無(wú)線電波一樣，實(shí)質(zhì)都是電磁輻射。只不過(guò)由于其波長(zhǎng)更短，往往所攜帶的能量更高。比如可見光攜帶的能量，一般不超過(guò)3個(gè)電子伏特，但伽馬射線的能量卻往往高達(dá)百萬(wàn)甚至百億電子伏特。

但人類第一次真正觀測(cè)到伽馬射線暴發(fā)，卻多少有些陰差陽(yáng)錯(cuò)。

從20世紀(jì)60年代開始，為了避免美國(guó)和前蘇聯(lián)之間的核競(jìng)賽把整個(gè)人類文明拖入深淵，雙方開始談判加以克制。其直接成果就是1963年8月5日，美、蘇、英三國(guó)在莫斯科簽訂《禁止在大氣層、外層空間和水下進(jìn)行核武器試驗(yàn)條約》（下稱《部分禁止核試驗(yàn)條約》）。

條約生效后，為了監(jiān)測(cè)前蘇聯(lián)是否切實(shí)遵守約定，美國(guó)發(fā)射了一系列裝備了伽馬射線探測(cè)器的軍事衛(wèi)星，用來(lái)監(jiān)測(cè)地球上何時(shí)何地在大氣層或外層空間發(fā)生了核爆炸試驗(yàn)。因?yàn)闊o(wú)論是原子彈還是威力更大的氫彈，爆炸瞬間生成的熾熱火球，都會(huì)產(chǎn)生大量高能射線，伽馬射線就是其中最具穿透力、也最容易探測(cè)的一種。

從1963年10月到1970年4月，美國(guó)共發(fā)射了12顆Vela偵察衛(wèi)星，這些衛(wèi)星上都裝備了伽馬射線、X射線探測(cè)器、中子計(jì)數(shù)器等核爆炸監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1967年7月2日，一直沒(méi)在蘇聯(lián)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)核爆炸的Vela衛(wèi)星，卻偶然發(fā)現(xiàn)了來(lái)自太空的伽馬射線突然增加。

通常，在一次常規(guī)核爆炸試驗(yàn)中，伽馬射線的釋放有兩次高峰：第一次是在原子彈點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的，不過(guò)產(chǎn)生的伽馬射線量很小；緊接著在核材料鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之后，產(chǎn)生的伽馬射線數(shù)量才會(huì)激增。而這次Vela所接收到的伽馬射線暴發(fā)卻是一次性的，并非來(lái)自地面或者地球大氣層，而是來(lái)自遙遠(yuǎn)的宇宙深處。

不過(guò)，早期科學(xué)家對(duì)于“伽馬暴”的了解，很大程度上仍處于蒙昧狀態(tài)。中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院院士陸對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者解釋說(shuō)，當(dāng)時(shí)觀測(cè)到的只是持續(xù)幾十秒的光點(diǎn)而已，并不知道它到底距離地球有多遠(yuǎn)，自然也不知道它的能量到底有多大。這種光點(diǎn)后來(lái)雖然經(jīng)常可以看到，但由于持續(xù)時(shí)間太短，在將近20年的時(shí)間內(nèi)，一直無(wú)法進(jìn)行精確觀測(cè)。

“黎明時(shí)期”

1991年，美國(guó)宇航局的康普頓伽馬射線天文裝置發(fā)射升空，從而正式拉開了對(duì)“伽馬暴”探索的“黎明時(shí)期”。利用它所攜帶的四種儀器——短脈沖瞬變?cè)丛囼?yàn)設(shè)備、定向閃爍光譜儀、康普頓成像望遠(yuǎn)鏡和高能伽馬射線試驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家第一次能夠?qū)Α百ゑR暴”進(jìn)行精細(xì)研究。

康普頓實(shí)際上工作了整整九年，觀測(cè)到了共計(jì)2700多個(gè)“伽馬暴”，并且發(fā)現(xiàn)這些“伽馬暴”來(lái)自宇宙中各個(gè)方向。

在早期，圍繞著“伽馬暴”的諸多爭(zhēng)議中，一個(gè)重要的話題就是這一天文現(xiàn)象到底是發(fā)生在銀河系內(nèi)部，還是發(fā)生在遙遠(yuǎn)的外星系？這一發(fā)現(xiàn)在很大程度上回答了這個(gè)問(wèn)題。

陸告訴《財(cái)經(jīng)》記者，如果“伽馬暴”來(lái)自銀河系內(nèi)部，那么其分布應(yīng)該是帶狀的，因?yàn)殂y河系恒星的分布是餅狀的。但實(shí)際上，“伽馬暴”來(lái)自各個(gè)方向，意味著它有很大的可能性發(fā)生在銀河系之外。

如果這些“伽馬暴”發(fā)生在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，仍能夠在穿越宇宙億萬(wàn)年之后清晰可見，足見其最初暴發(fā)的能量之大。之前，人類已知的宇宙中最猛烈的暴發(fā)為超新星，它在很短的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)的能量，幾乎相當(dāng)于太陽(yáng)從誕生到毀滅產(chǎn)生的能量總和。但“伽馬暴”看上去比這種暴發(fā)還要猛烈，因此又被稱為“超超新星”。

1996年4月，意大利與荷蘭聯(lián)合發(fā)射了一顆載有伽馬射線和X射線探測(cè)器的天文衛(wèi)星BeppoSAX。由于X射線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，定位能力比伽馬射線要強(qiáng)，所以，BeppoSAX可以在伽馬射線探測(cè)器發(fā)現(xiàn)“伽馬暴”后，快速測(cè)定出“伽馬暴”的位置，并傳送給哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和地面上的光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)其進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)。

1997年2月28日，在BeppoSAX的指引下，天文學(xué)家終于利用地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)編號(hào)為GRB970228的“伽馬暴”對(duì)應(yīng)的光學(xué)產(chǎn)物——“光學(xué)余輝”——“伽馬暴”產(chǎn)生的激波與周圍的物質(zhì)碰撞之后，會(huì)形成能量更低甚至低到可見光波段的“次級(jí)效應(yīng)”，理論上預(yù)測(cè)其持續(xù)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。

“光學(xué)余輝”正式被探測(cè)發(fā)現(xiàn)，也徹底終結(jié)了困擾天文學(xué)界近30年的距離之爭(zhēng)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)定“余輝”中特定原子譜線的紅移程度，就可以根據(jù)宇宙膨脹的速度，計(jì)算出“伽馬暴”發(fā)生的確切位置。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“伽馬暴”不僅發(fā)生在直徑達(dá)10萬(wàn)光年的銀河系之外，實(shí)際上它遠(yuǎn)比我們之前所想象到的更加遙遠(yuǎn)，即在幾十億光年外；而根據(jù)它們到達(dá)地球的亮度推算，“伽馬暴”在暴發(fā)時(shí)所釋放的能量，相當(dāng)于太陽(yáng)在100億年生命周期中釋放的總能量的上百倍。

實(shí)際上，這次觀測(cè)到的“伽馬暴”，還遠(yuǎn)不是暴發(fā)最猛烈的。就在1997年12月14日觀測(cè)到的一次距離地球120億光年的“伽馬暴”，所釋放的能量比超新星暴發(fā)還要大幾百倍：在50秒內(nèi)所釋放出伽馬射線能量，就相當(dāng)于整個(gè)銀河系200年的總輻射能量。它不僅照亮了廣袤的宇宙空間，在其周圍幾百公里，甚至出現(xiàn)了宇宙大爆炸后最初千分之一秒內(nèi)才出現(xiàn)過(guò)的高溫高密現(xiàn)象。

2008年3月19日“雨燕”發(fā)現(xiàn)的一個(gè)“伽馬暴”，甚至發(fā)生在75億光年之外。但其產(chǎn)生的余輝仍然比最明亮的超新星高出250多萬(wàn)倍，在地球上僅憑肉眼就可以看到。

能量來(lái)自何處

因此，在陸看來(lái)，1997年BeppoSAX劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，雖然完美地解決了距離問(wèn)題，但也同時(shí)帶來(lái)了一個(gè)同樣棘手的問(wèn)題：“伽馬暴”大得驚人的暴發(fā)能量到底來(lái)自何處？

南京大學(xué)天文系教授黃永峰在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示，由于“伽馬暴”亮度的變化往往是毫秒量級(jí)，這說(shuō)明其爆炸范圍的尺寸，應(yīng)該在幾十公里到幾百公里以內(nèi)。否則，爆炸源不同地方發(fā)出的光，到達(dá)觀測(cè)者的時(shí)間就會(huì)有先有后，原來(lái)的快速變化也就被抹平。

這就意味著，導(dǎo)致“伽馬暴”產(chǎn)生的只能是恒星層次的天體，而且必須是致密恒星，就是質(zhì)量與太陽(yáng)同量級(jí)、但尺寸小于100公里的天體。而太陽(yáng)的直徑，大約為140萬(wàn)公里。

然而，很難想象這么小尺寸的天體，會(huì)在一瞬間暴發(fā)出如此巨大的能量。即使其所有的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成輻射能，似乎也是杯水車薪。

要解釋這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)比較自然的假設(shè)，就是“伽馬暴”不是各向同性，而是成束的，我們觀測(cè)到的“伽馬暴”，恰好把主要的能量都釋放到了地球方面，而不是沿著各個(gè)方向均勻分布的。這樣，從觀測(cè)到的強(qiáng)度來(lái)推算總輻射時(shí)，能量就不會(huì)高得太離譜。

不過(guò)，在黃永峰看來(lái)，“伽馬暴”成束的一個(gè)直接后果就是大大降低了觀測(cè)到的概率，因?yàn)橹挥惺鲗?duì)準(zhǔn)地球時(shí)我們才能觀測(cè)到。但鑒于現(xiàn)在只要有合適的衛(wèi)星在天上飛行，一般每天差不多可以觀測(cè)到一到三個(gè)“伽馬暴”來(lái)推算，束流張開的角度也不會(huì)太小。因此，這一理論仍然不能徹底解決“伽馬暴”的能源問(wèn)題。

1992年至1994年間，在BATSE測(cè)得“伽馬暴”的各向同性分布的啟發(fā)下，科學(xué)家提出了“伽馬暴”的標(biāo)準(zhǔn)模型—— —個(gè)溫度極高的火球，它以略低于光速的速度膨脹，從而在星際介質(zhì)中產(chǎn)生激波。而在激波作用下，星際物質(zhì)中的電子也被加速到亞光速；這些亞光速的電子在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生同步輻射，導(dǎo)致伽馬射線輻射大暴發(fā)；然后，激波在星際介質(zhì)中進(jìn)一步傳播并被減速，隨著速度的繼續(xù)降低，便相繼產(chǎn)生X射線、光學(xué)、射電等波段的輻射，這就是“余輝”。

目前，這種火球模型已經(jīng)成為早期所提出的30多種模型中，最接近觀測(cè)事實(shí)的一個(gè)，并正在被更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)。

早在BeppoSAX時(shí)期，人們就發(fā)現(xiàn)了“伽馬暴”分為兩秒到幾十秒左右的“長(zhǎng)暴”，以及兩秒以下甚至幾毫秒的“短暴”兩種。

不過(guò)，由于“短暴”時(shí)間太短，BeppoSAX來(lái)不及對(duì)其進(jìn)行精確定位。一直到2004年“雨燕”升空后，“短暴”才被細(xì)致地加以研究。

據(jù)最新觀測(cè)成果，陸對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說(shuō)，目前主流的看法是，“長(zhǎng)暴”很可能來(lái)自于大質(zhì)量恒星死亡時(shí)突然塌縮形成“黑洞”的過(guò)程中。在大質(zhì)量恒星的生命終點(diǎn)，其核心部分就會(huì)因?yàn)槿剂虾谋M而坍縮成中子星；如果質(zhì)量夠大，還會(huì)進(jìn)一步坍縮成密度大到連光線也無(wú)法逃逸出來(lái)的“黑洞”。在這一過(guò)程中，沿著旋轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生兩束接近光速的噴流，這些噴流與“死亡之星”外圍的物質(zhì)碰撞形成的激波，就成為“伽馬暴”之源。或許，噴流與周圍物質(zhì)的捧撞過(guò)程，也會(huì)直接產(chǎn)生“伽馬暴”。

1998年，陸和南京大學(xué)天文系教授戴子高曾一起發(fā)表了關(guān)于GRB970616的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其“余輝”能譜與標(biāo)準(zhǔn)模型不一致，其周圍環(huán)境顯示屬于密度逐漸減少的星風(fēng)介質(zhì)；而星風(fēng)介質(zhì)，正是“伽馬暴”前身大質(zhì)量恒星遺留下來(lái)的。

由于對(duì)“短暴”的了解更少，我們對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)也充滿了更多的不確定性。

雖然很多人認(rèn)為，“短暴”的產(chǎn)生或許與兩個(gè)致密星（中子星、奇異星、黑洞等）的合并或者碰撞有關(guān)。但也有科學(xué)家認(rèn)為，大質(zhì)量恒星直接坍縮成黑洞的過(guò)程，以及中子星坍縮成黑洞的過(guò)程，甚至高度磁化的中子星-磁星輻射出來(lái)的巨大耀斑，都可能直接產(chǎn)生“短暴”。

“天使”還是“魔鬼”

從40年多前“冷戰(zhàn)”時(shí)期的一個(gè)偶爾測(cè)到的信號(hào)發(fā)展到現(xiàn)在，“伽馬暴”已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)系統(tǒng)宇宙學(xué)科。

綜觀過(guò)往的歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)，每一次重大的觀測(cè)儀器的發(fā)射，無(wú)論是康普頓伽馬射線天文臺(tái)還是后來(lái)的BeppoSAX、“雨燕”，都極大地拓展了科學(xué)家對(duì)于“伽馬暴”的認(rèn)識(shí)。因此，人們也有理由期待，GLAST望遠(yuǎn)鏡會(huì)續(xù)寫這一傳奇。

在此次發(fā)射升空的GLAST望遠(yuǎn)鏡上，裝備了兩個(gè)重要儀器：一個(gè)是廣域望遠(yuǎn)鏡，另一個(gè)是“伽馬暴”監(jiān)視器。這一探測(cè)器計(jì)劃工作五年，最長(zhǎng)可以達(dá)到十年，將能夠探測(cè)到幾百個(gè)“伽馬射線暴”。

該項(xiàng)目副首席科學(xué)家尼爾格瑞爾斯對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，“伽馬暴”的研究，對(duì)于人類了解恒星生命的周期，它們?nèi)绾谓Y(jié)束自己的生命都至關(guān)重要。

實(shí)際上，不僅僅是美國(guó)，全世界科學(xué)家都在關(guān)注著即將到來(lái)的“伽馬暴”革命。因?yàn)榕c“伽馬暴”存在關(guān)聯(lián)的，絕對(duì)不僅僅是恒星這種天體，它和整個(gè)宇宙的參數(shù)密切相關(guān)。比如構(gòu)成宇宙主體的，是我們知之甚少的暗能量。天文學(xué)家主要是通過(guò)對(duì)超新星的觀測(cè)，來(lái)推算其性質(zhì)。而與超新星相比，不懼宇宙間的塵埃、穿透力更強(qiáng)的“伽馬暴”，顯然是研究暗物質(zhì)以及整個(gè)宇宙的終極秘密時(shí)更好的觀測(cè)對(duì)象。

不過(guò)，盡管來(lái)自宇宙深處的“伽馬暴”，能夠給人類帶來(lái)宇宙誕生之初的消息；但發(fā)生在銀河系里的“伽馬暴”，卻有可能威脅地球的生命。

2003年9月，美國(guó)堪薩斯大學(xué)阿德里安梅洛特（Adrian Melott）和從事考古學(xué)的同事布魯斯里伯曼（Bruce Lieberman）發(fā)現(xiàn)，4.43億年前的奧陶紀(jì)晚期大滅絕，很可能就是“伽馬暴”造成的。

對(duì)于奧陶紀(jì)末期的生物大滅絕，科學(xué)家之前提出了很多假說(shuō)，但是一直無(wú)法解釋冰期是如何突然開始的。而能夠遮蔽太陽(yáng)的“伽馬暴”攻擊，則提供了一個(gè)合理的解釋。

盡管地球大氣層將吸收大部分的高能伽馬射線，但是伽馬射線的能量將會(huì)打開氮分子和氧分子，從而形成大面積的氮氧化物云層。梅洛特估計(jì)，一次“伽馬暴”照射，就足以產(chǎn)生覆蓋整個(gè)天空的“毒霧”，遮蔽將近一半本來(lái)應(yīng)該照射到地面上的太陽(yáng)光，令地球陷入陰暗；同時(shí)，二氧化氮也會(huì)破壞臭氧層，使得地球生物暴露在過(guò)量的紫外線之下長(zhǎng)達(dá)一年以上。

或許，這可以解釋為什么在這次大滅絕中，地表和淺海生物幾乎被大清洗，而深海生物幸存率卻要高得多。因?yàn)楹窈竦暮Ｋ帘瘟酥旅淖贤饩€，為地球保留下來(lái)最后的生命空間。

幸運(yùn)的是，科學(xué)家們相信，在太陽(yáng)所在的銀河系發(fā)生“伽馬暴”的概率是很低的。因?yàn)樵阢y河系中，恒星的重金屬與其他星系相比明顯偏高。這樣，當(dāng)大質(zhì)量恒星走到生命終點(diǎn)之際，大部分來(lái)自恒星內(nèi)部的能量都將被這些重金屬吸收，就很難形成亞光速的噴流并進(jìn)而引發(fā)“伽馬暴”。

然而，即使“伽馬暴”不發(fā)生銀河系內(nèi)，但一旦其暴發(fā)的“槍口”恰好對(duì)準(zhǔn)地球、距離又不太遙遠(yuǎn)，仍有可能對(duì)地球構(gòu)成威脅。今年3月，澳大利亞悉尼大學(xué)的天文學(xué)家彼得托希爾（Peter Tuthill）警告說(shuō)，他在八年前發(fā)現(xiàn)的形似輪轉(zhuǎn)焰火的WR104恒星，很有可能在某一天會(huì)暴發(fā)出致命的伽馬射線，并危及地球。

該雙星系統(tǒng)位于與銀河系相鄰的人馬座星系，距離地球約8000光年。托希爾相信，這個(gè)大小是太陽(yáng)的3倍、質(zhì)量是太陽(yáng)的25倍、亮度是太陽(yáng)1萬(wàn)倍的天體，目前正處于通過(guò)爆炸結(jié)束其生命的最后階段。

在地球上之所以能看到它旋轉(zhuǎn)的焰火，正因?yàn)榈厍蛘幵谄湫D(zhuǎn)的中軸上，伽馬射線也將沿這個(gè)方向射出。“我過(guò)去只因其漂亮的外形而欣賞此螺旋天體，但現(xiàn)在我正看著一支來(lái)復(fù)槍的槍口。”他說(shuō)。

當(dāng)然，這顆“定時(shí)炸彈”的“保險(xiǎn)絲”盡管很短，也仍然是在幾十萬(wàn)年的尺度上。或許我們現(xiàn)在還不必太擔(dān)心，一是因?yàn)榈厍虻捏w型很小，很容易錯(cuò)過(guò)；即便錯(cuò)不過(guò)，畢竟還有幾十萬(wàn)年的時(shí)間，或許那時(shí)地球早已不再是人類惟一的家園了。■