伽馬射線暴：來(lái)自宇宙深處的神秘信息

文/張唯誠(chéng)

伽馬暴GRB 221009A 爆發(fā)一小時(shí)后，“雨燕”的太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的X 射線余輝

2022 年10 月9 日21 時(shí)17 分，我國(guó)科學(xué)家使用專門的設(shè)備，探測(cè)到一束強(qiáng)烈的高能輻射脈沖掃過(guò)了太陽(yáng)系。科學(xué)家們稱這種高能輻射脈沖為“伽馬射線暴”，簡(jiǎn)稱“伽馬暴”。

與此同時(shí)，一架名為“尼爾·格雷爾斯雨燕天文臺(tái)”的太空望遠(yuǎn)鏡也探測(cè)到了這個(gè)異常的閃光。與以往不同的是，人們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)伽馬暴非常明亮，亮度超過(guò)了此前發(fā)現(xiàn)的任何同類事件。因此，人們給它起了一個(gè)綽號(hào)叫BOAT，意為“有史以來(lái)最亮的閃光”。

伽馬暴是一種波長(zhǎng)短、穿透性強(qiáng)的電磁輻射，來(lái)自宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象。爆炸發(fā)生后，伽馬暴的亮度很快減弱了，取而代之的是在X光、可見(jiàn)光和無(wú)線電波等波段上仍然相對(duì)明亮的余輝。這讓世界各地的科學(xué)家在短短幾天的時(shí)間內(nèi)通過(guò)太空和地面上的望遠(yuǎn)鏡在幾乎所有波段的光中看到了這次爆炸。一些通常被用作探測(cè)閃電的射電望遠(yuǎn)鏡也探測(cè)到了與爆炸相關(guān)的突然擾動(dòng)。

對(duì)宇宙伽馬暴的探測(cè)開(kāi)始于20 世紀(jì)60 年代。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這種來(lái)自宇宙的爆發(fā)性伽馬射線輻射能量非常強(qiáng)。在一瞬間里，這種爆炸所釋放出的能量，相當(dāng)于太陽(yáng)一年輻射能量的幾百億倍。不過(guò)，這種爆炸雖然強(qiáng)烈，但持續(xù)時(shí)間有長(zhǎng)有短，長(zhǎng)的叫長(zhǎng)暴，短的叫短暴。其強(qiáng)度變化也很復(fù)雜，出沒(méi)毫無(wú)規(guī)律可言。最為重要的是，伽馬暴的亮度可達(dá)到太陽(yáng)亮度的百萬(wàn)兆倍，即使它們發(fā)生在距離地球極為遙遠(yuǎn)的地方，人們也能探測(cè)到。

2022 年10 月9 日的那次爆炸發(fā)生幾天后，科學(xué)家們將它正式命名為“GRB 221009A”。他們推測(cè)，這次爆炸可能是由一顆超大質(zhì)量恒星在距地球約20 億光年的星系中坍縮成一個(gè)黑洞引發(fā)的。天文學(xué)家們認(rèn)為它釋放的能量，大約相當(dāng)于3 個(gè)太陽(yáng)將所有質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的總和。

短暴和長(zhǎng)暴

伽馬暴有短暴和長(zhǎng)暴之別。大致上說(shuō)，持續(xù)時(shí)間不到2 秒的伽馬暴稱作短暴，它們有可能是中子星在碰撞融合時(shí)產(chǎn)生的。中子星是一種高密度的星體，這種星體的強(qiáng)引力場(chǎng)儲(chǔ)存了巨大的能量。在宇宙中，當(dāng)兩顆中子星發(fā)生碰撞時(shí)，它們會(huì)融合成黑洞?？茖W(xué)家認(rèn)為，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了短暴。天文學(xué)家們還指出，如果一個(gè)雙恒星系統(tǒng)中有一顆中子星，那么兩星之間的相互作用也會(huì)導(dǎo)致碰撞的發(fā)生，這樣的碰撞也容易產(chǎn)生短暴。

相較短暴而言，長(zhǎng)暴可持續(xù)2秒以上，它們很可能來(lái)自一種超大質(zhì)量的恒星在消亡時(shí)發(fā)生的大爆炸。

兩顆中子星發(fā)生了碰撞

超大質(zhì)量恒星的質(zhì)量可以超越太陽(yáng)質(zhì)量的20 倍，且溫度極高。由于能量的劇烈釋放，超大質(zhì)量恒星的壽命非常短，一般只有幾百萬(wàn)年。當(dāng)它們走向死亡時(shí)，它們中的一部分會(huì)成為比一般的超新星威力更大的“超級(jí)新星”。由于重力的坍塌，它們會(huì)變成黑洞。此時(shí)，灼熱的能量從星核處以光速?zèng)_出星體，爆炸波與星際間的氣體、塵埃發(fā)生碰撞—伽馬暴便發(fā)生了。GRB 221009A 持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，屬于長(zhǎng)暴，所以它也被認(rèn)為來(lái)自超大質(zhì)量恒星消亡時(shí)坍縮成黑洞的劇烈過(guò)程。伽馬暴發(fā)生后，通常還會(huì)產(chǎn)生X光、可見(jiàn)光和無(wú)線電波，天文學(xué)家們稱之為伽馬暴發(fā)生后的“余輝”。“余輝”可以被其他各種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，從而為人們提供更多信息。

幾十年來(lái)，為了研究伽馬暴，人類相繼發(fā)射了一系列觀測(cè)它的衛(wèi)星，其中一部分取得了很好的成果。1991 年，一架名為“康普頓”的伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，它的任務(wù)就是在伽馬射線波段探測(cè)宇宙。這架望遠(yuǎn)鏡在太空工作了10 年，總計(jì)探測(cè)到2700 余個(gè)伽馬暴。但它并不能精確地找出伽馬暴發(fā)生的位置。而且，由于伽馬暴發(fā)生時(shí)間很短，當(dāng)人們接收到伽馬暴的信號(hào)時(shí)，這些射線已經(jīng)消失了，人們很難進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。

一顆超大質(zhì)量恒星發(fā)生了爆炸

卓越的伽馬暴觀察者

為了更好地觀測(cè)伽馬暴，2004年11 月20 日，一顆名為“雨燕”的觀測(cè)衛(wèi)星搭乘德?tīng)査鸺胩??！坝暄唷笔欠浅Ｏ冗M(jìn)和靈活的伽馬暴觀測(cè)衛(wèi)星，它可從伽馬射線、X 射線、紫外線和可見(jiàn)光這4 個(gè)方面研究伽馬暴及其余輝?！坝暄唷笔紫壤帽l(fā)警示望遠(yuǎn)鏡偵察伽馬暴，然后利用X 射線望遠(yuǎn)鏡和紫外線光學(xué)望遠(yuǎn)鏡收集伽馬暴發(fā)生點(diǎn)附近的信息，最后通過(guò)這些信息找出伽馬暴的位置。迄今為止，“雨燕”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百次伽馬暴現(xiàn)象。2018年，美國(guó)宇航局將這顆名為“雨燕γ射線暴任務(wù)”的探測(cè)衛(wèi)星正式更名為“尼爾·格雷爾斯雨燕天文臺(tái)”。

在2022 年10 月9 日的伽馬暴探測(cè)實(shí)踐中，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬暴的地空多手段聯(lián)合觀測(cè)，并且取得了重大成果。參與這次探測(cè)的設(shè)備有昵稱為“拉索”的中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站、中國(guó)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”，以及空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的主要科學(xué)載荷“高能爆發(fā)探索者”（HEBS）。

“拉索”是以宇宙線觀測(cè)研究為核心、由我國(guó)自主研發(fā)并設(shè)計(jì)建造的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。它位于四川省稻城縣海拔4410 米的海子山上，主體工程已于2021 年7 月完成并投入科學(xué)運(yùn)行。它是目前世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺(tái)，其運(yùn)行開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的觀測(cè)時(shí)代。“慧眼”是我國(guó)第一顆空間X 射線天文衛(wèi)星，于2017 年6 月發(fā)射運(yùn)行。在軌觀測(cè)的5 年多時(shí)間里，它已于黑洞、中子星、快速射電暴等方面取得一大批重要的成果?！案吣鼙l(fā)探索者”于2022 年7 月發(fā)射，是我國(guó)近期發(fā)射的空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的主要科學(xué)載荷之一。

不少科學(xué)家認(rèn)為，我國(guó)的觀測(cè)結(jié)果打破了多項(xiàng)伽馬暴觀測(cè)紀(jì)錄，對(duì)揭示伽馬暴的爆發(fā)機(jī)制具有重要價(jià)值。

探索伽馬暴的意義

那么，探索伽馬暴有什么意義呢？伽馬暴以光速在宇宙中穿行，它們被我們觀測(cè)時(shí)往往已經(jīng)在宇宙中旅行了上億年，甚至100 多億年。它們之所以經(jīng)過(guò)了如此漫長(zhǎng)的時(shí)間才到達(dá)地球，是因?yàn)檫@些伽馬暴實(shí)際上是極早以前宇宙中劇烈事件的產(chǎn)物。例如，2008 年3 月19 日，人們探測(cè)到一個(gè)來(lái)自牧夫座的恒星發(fā)生的伽馬暴，之后“雨燕”便收集到了爆發(fā)的數(shù)據(jù)。那次爆炸距離地球約75 億光年，天文學(xué)家們可以從這種伽馬暴隱藏的信息中，獲得了解古老恒星和早期宇宙的機(jī)會(huì)。

2005 年，“雨燕”曾觀測(cè)到一個(gè)更加遙遠(yuǎn)的伽馬暴，它持續(xù)了約10 秒。“雨燕”發(fā)現(xiàn)了這個(gè)伽馬暴后，迅速轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)和X 射線望遠(yuǎn)鏡，使它們指向伽馬暴出現(xiàn)的位置。后來(lái)，“雨燕”發(fā)現(xiàn)這個(gè)伽馬暴位于130 億光年之外的地方。我們知道，宇宙大爆炸發(fā)生在137 億年前。也就是說(shuō)，這個(gè)伽馬暴發(fā)生時(shí)，宇宙僅僅形成了5 億至7 億年。

在現(xiàn)代天文學(xué)的研究中，科學(xué)家們非常期望了解早期宇宙的信息。對(duì)人們認(rèn)識(shí)宇宙的發(fā)展和演化而言，早期宇宙的信息非常難得，同時(shí)又非常關(guān)鍵。雖然現(xiàn)代的許多大型望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡可以看得很遠(yuǎn)，但來(lái)自早期宇宙恒星的光芒依然不易被它們捕捉到。而伽馬暴則可以將幾十億光年甚至100 多億光年之外的宇宙信息呈現(xiàn)在天文學(xué)家們的眼前，這為天文學(xué)家們研究早期的宇宙提供了絕佳的機(jī)會(huì)。例如，假若對(duì)觀測(cè)伽馬暴時(shí)獲得的光線予以分析，人們便可得到反映伽馬暴中的各種元素的光譜。它記錄了恒星物質(zhì)中包含的早期宇宙的大量信息。從這個(gè)意義上說(shuō)，作為“有史以來(lái)最亮的閃光”，GRB 221009A 顯得尤為珍貴也就不難理解了。

此外，伽馬暴還是已知宇宙中最強(qiáng)烈的能量爆發(fā)現(xiàn)象。它對(duì)宇宙生命的存在和發(fā)展產(chǎn)生過(guò)怎樣的影響？這樣的影響在未來(lái)是否持續(xù)存在？在地球的歷史上，伽馬暴是否也影響過(guò)地球生命的演化？未來(lái)，這種強(qiáng)大的能量輻射是否有可能襲擊地球？這些都是縈繞在人們頭腦中的疑問(wèn)。而這些疑問(wèn)迄今仍無(wú)確切答案，所以，科學(xué)家們有關(guān)伽馬暴的探索依然任重道遠(yuǎn)。

中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（昵稱為“拉索”）