宇宙中最劇烈的爆炸！伽馬射線暴平均每天發生一兩次

　　核爆炸時也會產生伽馬射線。

　　質量巨大的恒星死亡時可能會形成黑洞。

　　美蘇冷戰期間，幾顆美國的間諜衛星徹底改變了我們對宇宙的看法。

　　1963年，在古巴導彈危機差點讓全世界卷入核戰爭的一年之后，美國發射了一組衛星，用來監視蘇聯。

　　當時，美蘇兩個超級大國剛剛簽署了一項合約，禁止在大氣層和太空中進行核試驗。美國發射的數顆維拉號衛星分布在距地面10萬公里的上空，確保蘇聯遵守了這項合約。

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

　　這些神秘的現象一直處于保密狀態，直到1973年才對外公布。沒人知道它們究竟為何物，一連幾十年過去，這些伽馬射線一直令科學家感到困惑不解。

　　但冷戰結束之后，在多架太空飛船和望遠鏡的幫助下，天文學家對這些伽馬射線暴有了更好的了解。到目前為止，他們已經發現了6000次這樣的爆發現象，平均每天都會發生一兩次。

　　這些射線暴來自于宇宙中最神秘的天體：黑洞和中子星。它們是如此明亮，足以跨越廣袤無垠的空間與時間，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，每次持續時間僅為幾毫秒，因此它為我們展現的宇宙比此前想象的更加生機勃勃。天文學家發現，即使從人類的時間尺度來看，宇宙也算是一個爆炸叢生、變化多端的所在。

　　太陽耀斑是一種威力巨大的輻射爆發。只有百分之一的超新星爆發時會產生伽馬射線暴。

　　謎題更加費解

　　伽馬射線是一種非常極端的射線。“它們是宇宙中亮度最高、威力最巨大的爆炸形式。”紐約大學的宇宙物理學家安德魯?麥克法迪恩(Andrew MacFadyen)說道。

　　伽馬射線爆發比整個星系還要明亮一百萬倍。一束伽馬射線爆發每秒鐘產生的能量與整個可見宇宙的全部星光總和相當。

　　它們是電磁輻射中能量最強的一種，代表了宇宙中一些溫度最高、威力最巨大的現象，如太陽耀斑、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，一直到航天時代的到來，天文學家才發現宇宙中有如此多的伽馬射線。

　　直到維拉號衛星等宇宙飛船升空之后，科學家才得以一瞥伽馬射線的蹤影，并發現了宇宙中存在伽馬射線爆發這樣的現象。

　　“我們在天文學中研究的大部分事物都在很久之前就已經發現了，比如恒星、星系和恒星等，”哈佛大學的一名天文學家埃多?博格(Edo Berger)說道，“但伽馬射線的發現完全超出了我們的想象。”

　　在首次發現這一現象之后，維拉號等衛星又發現了更多的伽馬射線暴，但當時還沒有能對其進行研究的科學設備，因此相關數據相當有限。甚至沒人知道這些射線暴距我們究竟有多遠。但在人們初次發現伽馬射線暴的近20年后，答案終于開始浮出水面了。

　　伽馬射線暴是宇宙中最明亮的爆炸。

　　1991年，NASA發射了一顆名叫“康普頓伽馬射線天文臺”的衛星，配備了第一臺伽馬射線暴探測設備，名叫BATSE(Burst and Transient Source Experiment)。

　　該設備探測到了數百次伽馬射線暴。天文學家很快發現，伽馬射線暴可以被分為截然不同的兩類。

　　有些射線暴持續時間極短，僅有幾毫秒。其它射線暴的時間則要長一些，能持續30秒甚至更久，說明這兩類伽馬射線暴可能是由不同的現象形成的。

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

　　但BATSE設備發現，這些射線暴在空中呈均勻分布，說明它們是來自銀河系之外的。

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

　　這些余輝會在其它波段上出現，如可見光和X射線等，其中包含了伽馬射線暴的化學特征，即會在不同波段發光的輻射。當這些輻射向地球飛來時，不斷膨脹的宇宙便會將其拉長，使波長變得更長。

　　這一膨脹率會隨著距離而增加，因此只需測量輻射在到達地球時被拉伸了多少，便能確定射線暴距我們有多遠。

　　但BATSE更像是一臺探測器，而不是望遠鏡，因此它無法定位射線暴的具體位置。由于沒有確切的位置，其它望遠鏡便無法及時跟進、觀測射線暴的余輝。

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

　　1997年，BeppoSax衛星檢測到了一次威力巨大的伽馬射線暴。望遠鏡立刻對準了同一方向，終于抓住了一次余輝，讓天文學家首次測量出了伽馬射線暴距地球的距離。

　　天文學家得到的結果確鑿無誤：這次射線暴的確來自銀河系之外，距我們約60億光年。

　　不過，BeppoSax衛星的反應速度還不夠快，無法抓住短射線暴的余輝，因此這一類射線暴暫時仍是一大謎團。

　　在接下來的幾年之內，人們逐漸對長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1200萬光年。我們的宇宙充滿了動力。

　　爆炸的恒星

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

　　黑洞和中子星都是巨型恒星慘烈死亡后的產物。當恒星燃料耗盡之后，它的核心便會崩塌成一顆中子星。而如果質量足夠大的話，便會形成一個黑洞，密度大到連光線都無法從它的引力下逃脫。而如果恒星的外層忽然爆發的話，就會形成超新星。

　　超新星非常明亮。天文學家能夠輕松地確定伽馬射線暴的位置之后，他們發現伽馬射線暴常常與超新星爆發同時發生。他們認為，這可能是因為死去的恒星在爆炸時釋放的能量極多，從而產生了伽馬射線。

　　但這種情境非常罕見，只有百分之一的超新星在爆發時會出現伽馬射線暴。

　　當恒星崩塌成黑洞之后，剩下的氣體會形成一個圓盤，圍繞在黑洞周圍，就像水聚集在排水口周圍一樣。物質被吸入黑洞中時，會釋放出大量的能量，有些甚至會以接近光速的速度從黑洞中噴發出去。這些噴射物會產生伽馬射線束，如果射線束朝向地球，就形成了伽馬射線暴。

　　大多數天文學家都認為這是最具說服力的一種解釋。“這確實能說得通，”麥克法迪恩說道，“但你還想百分之百地確定。”

　　確實還有很多問題沒有得到解答。例如，人們仍不清楚這些射線暴的來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生的、是由什么構成的、以及它們是如何產生伽馬射線的。

　　Swift衛星既探測到了伽馬射線暴，也抓拍到了恒星爆炸的情景(如圖所示)。黑洞的密度極大，連光線也無法從它的引力下逃脫。　　宇宙大沖撞

　　在二十一世紀之交，短射線暴的起源仍是天文學家面臨的最大的未解之謎之一。至于長射線暴，解決問題的關鍵在于抓住射線暴的余輝，而這在當時是任何儀器都無能為力的。

　　因此，天文學家還需要另一架宇宙飛船來助力。2004年，NASA發射了Swift衛星。該衛星搭載了用于研究X射線和可見光波段余輝的望遠鏡，即使是最短的射線暴，它也能迅速判斷射線暴所在的位置。不到六個月時間，Swift衛星就成功定位到了一次余輝。

　　“我們立刻就意識到，這次射線暴與長射線暴不同，” Swift任務的帶頭人尼爾?格瑞爾斯(Neil Gehrels)說道，“它并不是由恒星爆炸產生的。”

　　與長射線暴不同，這一次發現的射線暴并未與超新星爆發同時發生，而且它所屬的星系類型也與此前不同。

　　長射線暴全部來源于類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。能產生長射線暴的恒星必須質量很大，而且生命短暫，早早便夭亡了。

　　因此，在長射線暴的常見區域，必然有很多恒星在不斷地孕育或消亡。但Swift衛星發現的射線暴來自一個滿是衰老或死亡的恒星的星系。如果有恒星爆炸的話，肯定發生在很長時間之前。

　　所有這些跡象都指向了同一個假設：這次射線暴是由兩顆中子星劇烈相撞形成的。根據天文學家的估算，宇宙中充滿了成對的、繞對方軌道旋轉的中子星。隨著時間的推移，它們會靠得越來越近，最終合并在一起，釋放出巨大的能量，也許還會產生伽馬射線。

　　隨著Swift衛星探測到更多的射線暴，局勢也變得愈加明朗。“又發現了幾次射線暴之后，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產生的。”

　　不過，大多數證據仍然是間接推斷出來的。雖然到目前為止，所有的觀測結果都與中子星合并的假說相符，但還沒有人找到過板上釘釘的證據。例如，根據麥克法迪恩所言，中子星和黑洞相撞時也許也會產生短射線暴。

　　但人們很快便找到了進一步的證據。當兩顆中子星靠近對方時，它們損失的能量會呈波紋狀順著空間和時間向外擴散，這一現象名叫引力波。愛因斯坦在一個世紀以前就預言過引力波的存在，一直到2015年才被美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)首次直接發現。

　　激光干涉引力波天文臺的革命性發現來自于兩個合并中的黑洞。但該天文臺也應該能探測到中子星在合并時產生的引力波。

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

　　全新的宇宙

　　如今，伽馬射線暴已經不如過去那樣神秘了。“這是一次非凡的探險。”格瑞爾斯說道。雖然許多研究人員在努力研究兩類伽馬射線暴的內在原理，但其他人則將其視為從過去照耀至今的宇宙“燈塔”。

　　由于伽馬射線暴極為明亮，即使隔了很遠的距離，穿梭了很長的時間，也依舊能被我們看見。最遠的射線暴還是宇宙剛誕生4億年時形成的。如果距離再遠一些的話，它們就是最早期的恒星爆炸死亡時的產物。

　　“這樣一來，我們就能看見宇宙中形成的第一批恒星了——至少能看見它們死亡時的模樣。”博格說道，“我們居然能看見第一代恒星爆炸的過程，這個想法實在令人大為驚奇。”

　　還不止這些呢。射線暴產生的光線中也包含了射線暴周圍氣體的化學特征。通過分析射線暴在不同距離上產生的光線，天文學家便可以判斷，在宇宙的不同歷史時期，太空中存在哪些化學元素。對于理解宇宙的起源和形成過程而言，這一類信息可以說是至關重要的。

　　不過伽馬射線最重要的貢獻或許在于，它們大大改變了我們對宇宙的看法。“宇宙中的大部分東西都已經存在了很長時間，橫亙了整個人類歷史。”博格說道。恒星、行星、星系——數十億年以來，它們都始終如一。

　　但伽馬射線暴的發現改變了這一觀點。“我們發現，宇宙中也有瞬息萬變的東西，從出現到消失，僅僅過了數小時內、數分鐘、甚至短短數秒。”

　　伽馬射線為一類新的天文學掃平了道路。如今，望遠鏡正在一刻不停地凝望夜空，尋找各個波段上突然出現的一道閃光。這些信號可能來自于超新星爆發、擁有超大質量黑洞的閃耀星系、或是來自于某種我們仍未發現的東西。

　　但這些都說明，我們的宇宙充滿了勃勃動力。為了更好地探索它，天文學家必須時刻做好準備，否則就可能會錯失良機。