伽馬射線暴

2006/7/15 8:00:00

       6500萬年前，一顆撞向地球的小行星曾導(dǎo)致了恐龍的滅絕。然而據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志2003年披露，來自外太空的殺手遠(yuǎn)不止小行星一個(gè)，最新科學(xué)研究顯示，早在4億年前，地球上曾經(jīng)歷過另外一次生物大滅絕，而罪魁禍?zhǔn)拙褪倾y河系恒星坍塌后爆發(fā)的“伽馬射線”！

        在天文學(xué)界，伽馬射線爆發(fā)被稱作“伽馬射線暴”。究竟什么是伽馬射線暴？它來自何方？它為何會(huì)產(chǎn)生如此巨大的能量？

       “伽馬射線暴是宇宙中一種伽馬射線突然增強(qiáng)的一種現(xiàn)象。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)趙永恒研究員告訴記者，伽馬射線是波長(zhǎng)小于0.1納米的電磁波，是比X射線能量還高的一種輻射，它的能量非常高。但是大多數(shù)伽馬射線會(huì)被地球的大氣層阻擋，觀測(cè)必須在地球之外進(jìn)行。

       冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)發(fā)射了一系列的軍事衛(wèi)星來監(jiān)測(cè)全球的核爆炸試驗(yàn)，在這些衛(wèi)星上安裝有伽馬射線探測(cè)器，用于監(jiān)視核爆炸所產(chǎn)生的大量的高能射線。偵察衛(wèi)星在1967年發(fā)現(xiàn)了來自浩瀚宇宙空間的伽馬射線在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)的現(xiàn)象，人們稱之為“伽馬射線暴”。由于軍事保密等因素，這個(gè)發(fā)現(xiàn)直到1973年才公布出來。這是一種讓天文學(xué)家感到困惑的現(xiàn)象：一些伽馬射線源會(huì)突然出現(xiàn)幾秒鐘，然后消失。這種爆發(fā)釋放能量的功率非常高。一次伽馬射線暴的“亮度”相當(dāng)于全天所有伽馬射線源“亮度”的總和。隨后，不斷有高能天文衛(wèi)星對(duì)伽馬射線暴進(jìn)行監(jiān)視，差不多每天都能觀測(cè)到一兩次的伽馬射線暴。

       伽馬射線暴所釋放的能量甚至可以和宇宙大爆炸相提并論。伽馬射線暴的持續(xù)時(shí)間很短，長(zhǎng)的一般為幾十秒，短的只有十分之幾秒。而且它的亮度變化也是復(fù)雜而且無規(guī)律的。但伽馬射線暴所放出的能量卻十分巨大，在若干秒鐘時(shí)間內(nèi)所放射出的伽馬射線的能量相當(dāng)于幾百個(gè)太陽(yáng)在其一生(100億年)中所放出的總能量！

       在1997年12月14日發(fā)生的伽馬射線暴，它距離地球遠(yuǎn)達(dá)120億光年，所釋放的能量比超新星爆發(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。這個(gè)伽馬射線暴在一兩秒內(nèi)，其亮度與除它以外的整個(gè)宇宙一樣明亮。在它附近的幾百千米范圍內(nèi)，再現(xiàn)了宇宙大爆炸后千分之一秒時(shí)的高溫高密情形。然而，1999年1月23日發(fā)生的伽馬射線暴比這次更加猛烈，它所放出的能量是1997年那次的十倍，這也是人類迄今為止已知的最強(qiáng)大的伽馬射線暴。

成因引發(fā)大辯論

       關(guān)于伽馬射線暴的成因，至今世界上尚無定論。有人猜測(cè)它是兩個(gè)中子星或兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的；也有人猜想是大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)生成黑洞的過程中產(chǎn)生的，但這個(gè)過程要比超新星爆發(fā)劇烈得多，因而，也有人把它叫做“超超新星”。為了探究伽馬射線暴發(fā)生的成因，引發(fā)了兩位天文學(xué)家的大辯論。

       在20世紀(jì)七八十年代，人們普遍相信伽馬射線暴是發(fā)生在銀河系內(nèi)的現(xiàn)象，推測(cè)它與中子星表面的物理過程有關(guān)。然而，波蘭裔美國(guó)天文學(xué)家帕欽斯基卻獨(dú)樹一幟。他在上世紀(jì)80年代中期提出伽馬射線暴是位于宇宙學(xué)距離上，和類星體一樣遙遠(yuǎn)的天體，實(shí)際上就是說，伽馬射線暴發(fā)生在銀河系之外。然而在那時(shí)，人們已經(jīng)被“伽馬射線暴是發(fā)生在銀河系內(nèi)”的理論統(tǒng)治多年，所以他們對(duì)帕欽斯基的觀點(diǎn)往往是付之一笑。但是幾年之后，情況發(fā)生了變化。1991年，美國(guó)的“康普頓伽馬射線天文臺(tái)”發(fā)射升空，對(duì)伽馬射線暴進(jìn)行了全面系統(tǒng)的監(jiān)視。幾年觀測(cè)下來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴出現(xiàn)在天空的各個(gè)方向上，而這就與星系或類星體的分布很相似，而這與銀河系內(nèi)天體的分布完全不一樣。于是，人們開始認(rèn)真看待帕欽斯基的伽馬射線暴可能是銀河系外的遙遠(yuǎn)天體的觀點(diǎn)了。由此也引發(fā)了1995年帕欽斯基與持相反觀點(diǎn)的另一位天文學(xué)家拉姆的大辯論。然而，在十年前的那個(gè)時(shí)候，世界上并沒有辦法測(cè)定伽馬射線暴的距離，因此辯論雙方根本無法說服對(duì)方。伽馬射線暴的發(fā)生在空間上是隨機(jī)的，而且持續(xù)時(shí)間很短，因此無法安排后續(xù)的觀測(cè)。再者，除短暫的伽馬射線暴外，沒有其他波段上的對(duì)應(yīng)體，因此無法借助其他波段上的已知距離的天體加以驗(yàn)證。這場(chǎng)辯論誰是誰 非也就懸而未決。幸運(yùn)的是，1997年意大利發(fā)射了一顆高能天文衛(wèi)星，能夠快速而精確地測(cè)定出伽馬射線暴的位置，于是地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡就可以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)。天文學(xué)家首先成功地發(fā)現(xiàn)了1997年2月28日伽馬射線暴的光學(xué)對(duì)應(yīng)體，這種光學(xué)對(duì)應(yīng)體被稱之為伽馬射線暴的“光學(xué)余輝”；接著看到了所對(duì)應(yīng)的星系，這就充分證明了伽馬射線暴宇宙學(xué)距離上的現(xiàn)象，從而為帕欽斯基和拉姆的大辯論做出了結(jié)論。

       到目前為止，全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多個(gè)伽馬射線暴的“光學(xué)余輝”，其中大部分的距離已經(jīng)確定，它們?nèi)�部是銀河系以外的遙遠(yuǎn)天體 。趙永恒研究員說，“光學(xué)余輝”的發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了伽馬射線暴的研究工作，使得人們對(duì)伽馬射線暴的觀測(cè)波段從伽馬射線發(fā)展到了光學(xué)和射電波段，觀測(cè)時(shí)間從幾十秒延長(zhǎng)到幾個(gè)月甚至幾年。

       超新星再次引發(fā)爭(zhēng)論難題一個(gè)接著一個(gè)。2003年3月24日，在加拿大魁北克召開的美國(guó)天文學(xué)會(huì)高能天體物理分會(huì)會(huì)議上，一部分研究人員宣稱它們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些迄今為止最有力的跡象，表明普通的超新星爆發(fā)可能在幾周或幾個(gè)月之內(nèi)導(dǎo)致劇烈的伽馬射線大噴發(fā)。這種說法一經(jīng)提出就在會(huì)議上引發(fā)了激烈的爭(zhēng)議。

       其實(shí)在2002年的一期英國(guó)《自然》雜志上，一個(gè)英國(guó)研究小組就報(bào)告了他們對(duì)于伽馬射線暴的最新研究成果,稱伽馬射線暴與超新星有關(guān)。研究者研究了2001年12月的一次伽馬射線暴的觀測(cè)數(shù)據(jù)，歐洲航天局的XMM—牛頓太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了這次伽馬射線暴長(zhǎng)達(dá)270秒的X射線波段的“余輝”。通過對(duì)于X射線的觀測(cè)，研究者發(fā)現(xiàn)了在爆發(fā)處鎂、硅、硫等元素以亞光速向外逃逸，通常超新星爆發(fā)才會(huì)造成這種現(xiàn)象。

       大多數(shù)天體物理學(xué)家認(rèn)為，強(qiáng)勁的伽馬射線噴發(fā)來自恒星內(nèi)核坍塌導(dǎo)致的超新星爆炸而形成的黑洞。麻省理工學(xué)院的研究人員通過錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡追蹤了2002年8月發(fā)生的一次時(shí)長(zhǎng)不超過一天的超新星爆發(fā)。在這次持續(xù)二十一小時(shí)的爆發(fā)中，人們觀察到大大超過類似情況的X射線。而X射線被廣泛看作是由超新星爆發(fā)后初步形成的不穩(wěn)定的中子星發(fā)出。大量的觀測(cè)表明，伽馬射線噴發(fā)源附近總有超新星爆發(fā)而產(chǎn)生的質(zhì)量很大的物質(zhì)存在。

       反對(duì)上述看法的人士認(rèn)為，這些說法沒有排除X射線非正常增加或減少的可能性。而且，超新星爆發(fā)與伽馬射線噴發(fā)之間存在時(shí)間間隔的原因仍然不明。

       無論如何，人類追尋來自浩瀚宇宙的神秘能量———伽馬射線暴的勢(shì)頭不會(huì)因?yàn)橐幌盗械囊苫蠖鴾p少，相反，科學(xué)家會(huì)更加努力地去探索。作為天文學(xué)的基礎(chǔ)研究，這種探索對(duì)人們認(rèn)識(shí)宇宙，觀察極端條件下的物理現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律都是很有意義的。