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致了恐龍的滅絕。然而據(jù)英國《新科學家》雜志2003年披露，來自外太空的殺手遠不止小行星一個，最新科學研究顯示，早在4億年前，地球上曾經(jīng)歷過另外一次生物大滅絕，而罪魁禍首就是銀河系恒星坍塌后爆發(fā)的“伽馬射線”！

        在天文學界，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的一種現(xiàn)象。”中國科學院國家天文臺趙永恒研究員告訴記者，伽馬射線是波長小于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)伽馬射線會被地球的大氣層阻擋，觀測必須在地球之外進行。

       冷戰(zhàn)時期，美國發(fā)射了一系列的軍事衛(wèi)星來監(jiān)測全球的核爆炸試驗，在這些衛(wèi)星上安裝有伽馬射線探測器，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間內突然增強的現(xiàn)象，人們稱之為“伽馬射線暴”。由于軍事保密等因素，這個發(fā)現(xiàn)直到1973年才公布出來。這是一種讓天文學家感到困惑的現(xiàn)象：一些伽馬射線源會突然出現(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)星對伽馬射線暴進行監(jiān)視，差不多每天都能觀測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)時間很短，長的一般為幾十秒，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，在若干秒鐘時間內所放射出的伽馬射線的能量相當于幾百個太陽在其一生(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，它距離地球遠達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秒內所釋放出伽馬射線能量就相當于整個銀河系200年的總輻射能量。這個伽馬射線暴在一兩秒內，其亮度與除它以外的整個宇宙一樣明亮。在它附近的幾百千米范圍內，再現(xiàn)了宇宙大爆炸后千分之一秒時的高溫高密情形。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大的伽馬射線暴。

成因引發(fā)大辯論

       關于伽馬射線暴的成因，至今世界上尚無定論。有人猜測它是兩個中子星或兩個黑洞發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的；也有人猜想是大質量恒星在死亡時生成黑洞的過程中產(chǎn)生的，但這個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)了兩位天文學家的大辯論。

       在20世紀七八十年代，人們普遍相信伽馬射線暴是發(fā)生在銀河系內的現(xiàn)象，推測它與中子星表面的物理過程有關。然而，波蘭裔美國天文學家帕欽斯基卻獨樹一幟。他在上世紀80年代中期提出伽馬射線暴是位于宇宙學距離上，和類星體一樣遙遠的天體，實際上就是說，伽馬射線暴發(fā)生在銀河系之外。然而在那時，人們已經(jīng)被“伽馬射線暴是發(fā)生在銀河系內”的理論統(tǒng)治多年，所以他們對帕欽斯基的觀點往往是付之一笑。但是幾年之后，情況發(fā)生了變化。1991年，美國的“康普頓伽馬射線天文臺”發(fā)射升空，對伽馬射線暴進行了全面系統(tǒng)的監(jiān)視。幾年觀測下來，科學家發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴出現(xiàn)在天空的各個方向上，而這就與星系或類星體的分布很相似，而這與銀河系內天體的分布完全不一樣。于是，人們開始認真看待帕欽斯基的伽馬射線暴可能是銀河系外的遙遠天體的觀點了。由此也引發(fā)了1995年帕欽斯基與持相反觀點的另一位天文學家拉姆的大辯論。然而，在十年前的那個時候，世界上并沒有辦法測定伽馬射線暴的距離，因此辯論雙方根本無法說服對方。伽馬射線暴的發(fā)生在空間上是隨機的，而且持續(xù)時間很短，因此無法安排后續(xù)的觀測。再者，除短暫的伽馬射線暴外，沒有其他波段上的對應體，因此無法借助其他波段上的已知距離的天體加以驗證。這場辯論誰是誰 非也就懸而未決。幸運的是，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定出伽馬射線暴的位置，于是地面上的光學望遠鏡和射電望遠鏡就可以對其進行后續(xù)觀測。天文學家首先成功地發(fā)現(xiàn)了1997年2月28日伽馬射線暴的光學對應體，這種光學對應體被稱之為伽馬射線暴的“光學余輝”；接著看到了所對應的星系，這就充分證明了伽馬射線暴宇宙學距離上的現(xiàn)象，從而為帕欽斯基和拉姆的大辯論做出了結論。

       到目前為止，全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20多個伽馬射線暴的“光學余輝”，其中大部分的距離已經(jīng)確定，它們全部是銀河系以外的遙遠天體 。趙永恒研究員說，“光學余輝”的發(fā)現(xiàn)極大地推動了伽馬射線暴的研究工作，使得人們對伽馬射線暴的觀測波段從伽馬射線發(fā)展到了光學和射電波段，觀測時間從幾十秒延長到幾個月甚至幾年。

       超新星再次引發(fā)爭論難題一個接著一個。2003年3月24日，在加拿大魁北克召開的美國天文學會高能天體物理分會會議上，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)可能在幾周或幾個月之內導致劇烈的伽馬射線大噴發(fā)。這種說法一經(jīng)提出就在會議上引發(fā)了激烈的爭議。

       其實在2002年的一期英國《自然》雜志上，一個英國研究小組就報告了他們對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。研究者研究了2001年12月的一次伽馬射線暴的觀測數(shù)據(jù)，歐洲航天局的XMM—牛頓太空望遠鏡觀測到了這次伽馬射線暴長達270秒的X射線波段的“余輝”。通過對于X射線的觀測，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)才會造成這種現(xiàn)象。

       大多數(shù)天體物理學家認為，強勁的伽馬射線噴發(fā)來自恒星內核坍塌導致的超新星爆炸而形成的黑洞。麻省理工學院的研究人員通過錢德拉X射線望遠鏡追蹤了2002年8月發(fā)生的一次時長不超過一天的超新星爆發(fā)。在這次持續(xù)二十一小時的爆發(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)生的質量很大的物質存在。

       反對上述看法的人士認為，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———伽馬射線暴的勢頭不會因為一系列的疑惑而減少，相反，科學家會更加努力地去探索。作為天文學的基礎研究，這種探索對人們認識宇宙，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。