伽馬射線(xiàn)暴

2006/7/15 8:00:00

       6500萬(wàn)年前，一顆撞向地球的小行星曾導致了恐龍的滅絕。然而據英國《新科學(xué)家》雜志2003年披露，來(lái)自外太空的殺手遠不止小行星一個(gè)，最新科學(xué)研究顯示，早在4億年前，地球上曾經(jīng)歷過(guò)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(xiàn)”！

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

       “伽馬射線(xiàn)暴是宇宙中一種伽馬射線(xiàn)突然增強的一種現象�！敝袊�科學(xué)院國家天文臺趙永恒研究員告訴記者，伽馬射線(xiàn)是波長(cháng)小于0.1納米的電磁波，是比X射線(xiàn)能量還高的一種輻射，它的能量非常高。但是大多數伽馬射線(xiàn)會(huì )被地球的大氣層阻擋，觀(guān)測必須在地球之外進(jìn)行。

       冷戰時(shí)期，美國發(fā)射了一系列的軍事衛星來(lái)監測全球的核爆炸試驗，在這些衛星上安裝有伽馬射線(xiàn)探測器，用于監視核爆炸所產(chǎn)生的大量的高能射線(xiàn)。偵察衛星在1967年發(fā)現了來(lái)自浩瀚宇宙空間的伽馬射線(xiàn)在短時(shí)間內突然增強的現象，人們稱(chēng)之為“伽馬射線(xiàn)暴”。由于軍事保密等因素，這個(gè)發(fā)現直到1973年才公布出來(lái)。這是一種讓天文學(xué)家感到困惑的現象：一些伽馬射線(xiàn)源會(huì )突然出現幾秒鐘，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(xiàn)暴的“亮度”相當于全天所有伽馬射線(xiàn)源“亮度”的總和。隨后，不斷有高能天文衛星對伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行監視，差不多每天都能觀(guān)測到一兩次的伽馬射線(xiàn)暴。

       伽馬射線(xiàn)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(xiàn)暴的持續時(shí)間很短，長(cháng)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(wú)規律的。但伽馬射線(xiàn)暴所放出的能量卻十分巨大，在若干秒鐘時(shí)間內所放射出的伽馬射線(xiàn)的能量相當于幾百個(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(xiàn)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(xiàn)能量就相當于整個(gè)銀河系200年的總輻射能量。這個(gè)伽馬射線(xiàn)暴在一兩秒內，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，再現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(xiàn)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(lèi)迄今為止已知的最強大的伽馬射線(xiàn)暴。

成因引發(fā)大辯論

       關(guān)于伽馬射線(xiàn)暴的成因，至今世界上尚無(wú)定論。有人猜測它是兩個(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(guò)程中產(chǎn)生的，但這個(gè)過(guò)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(xiàn)暴發(fā)生的成因，引發(fā)了兩位天文學(xué)家的大辯論。

       在20世紀七八十年代，人們普遍相信伽馬射線(xiàn)暴是發(fā)生在銀河系內的現象，推測它與中子星表面的物理過(guò)程有關(guān)。然而，波蘭裔美國天文學(xué)家帕欽斯基卻獨樹(shù)一幟。他在上世紀80年代中期提出伽馬射線(xiàn)暴是位于宇宙學(xué)距離上，和類(lèi)星體一樣遙遠的天體，實(shí)際上就是說(shuō)，伽馬射線(xiàn)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(xiàn)暴是發(fā)生在銀河系內”的理論統治多年，所以他們對帕欽斯基的觀(guān)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，美國的“康普頓伽馬射線(xiàn)天文臺”發(fā)射升空，對伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行了全面系統的監視。幾年觀(guān)測下來(lái)，科學(xué)家發(fā)現伽馬射線(xiàn)暴出現在天空的各個(gè)方向上，而這就與星系或類(lèi)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(kāi)始認真看待帕欽斯基的伽馬射線(xiàn)暴可能是銀河系外的遙遠天體的觀(guān)點(diǎn)了。由此也引發(fā)了1995年帕欽斯基與持相反觀(guān)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(méi)有辦法測定伽馬射線(xiàn)暴的距離，因此辯論雙方根本無(wú)法說(shuō)服對方。伽馬射線(xiàn)暴的發(fā)生在空間上是隨機的，而且持續時(shí)間很短，因此無(wú)法安排后續的觀(guān)測。再者，除短暫的伽馬射線(xiàn)暴外，沒(méi)有其他波段上的對應體，因此無(wú)法借助其他波段上的已知距離的天體加以驗證。這場(chǎng)辯論誰(shuí)是誰(shuí) 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星，能夠快速而精確地測定出伽馬射線(xiàn)暴的位置，于是地面上的光學(xué)望遠鏡和射電望遠鏡就可以對其進(jìn)行后續觀(guān)測。天文學(xué)家首先成功地發(fā)現了1997年2月28日伽馬射線(xiàn)暴的光學(xué)對應體，這種光學(xué)對應體被稱(chēng)之為伽馬射線(xiàn)暴的“光學(xué)余輝”；接著(zhù)看到了所對應的星系，這就充分證明了伽馬射線(xiàn)暴宇宙學(xué)距離上的現象，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)現了20多個(gè)伽馬射線(xiàn)暴的“光學(xué)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(shuō)，“光學(xué)余輝”的發(fā)現極大地推動(dòng)了伽馬射線(xiàn)暴的研究工作，使得人們對伽馬射線(xiàn)暴的觀(guān)測波段從伽馬射線(xiàn)發(fā)展到了光學(xué)和射電波段，觀(guān)測時(shí)間從幾十秒延長(cháng)到幾個(gè)月甚至幾年。

       超新星再次引發(fā)爭論難題一個(gè)接著(zhù)一個(gè)。2003年3月24日，在加拿大魁北克召開(kāi)的美國天文學(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(chēng)它們已經(jīng)發(fā)現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)月之內導致劇烈的伽馬射線(xiàn)大噴發(fā)。這種說(shuō)法一經(jīng)提出就在會(huì )議上引發(fā)了激烈的爭議。

       其實(shí)在2002年的一期英國《自然》雜志上，一個(gè)英國研究小組就報告了他們對于伽馬射線(xiàn)暴的最新研究成果,稱(chēng)伽馬射線(xiàn)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(xiàn)暴的觀(guān)測數據，歐洲航天局的XMM—牛頓太空望遠鏡觀(guān)測到了這次伽馬射線(xiàn)暴長(cháng)達270秒的X射線(xiàn)波段的“余輝”。通過(guò)對于X射線(xiàn)的觀(guān)測，研究者發(fā)現了在爆發(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 )造成這種現象。

       大多數天體物理學(xué)家認為，強勁的伽馬射線(xiàn)噴發(fā)來(lái)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(xué)院的研究人員通過(guò)錢(qián)德拉X射線(xiàn)望遠鏡追蹤了2002年8月發(fā)生的一次時(shí)長(cháng)不超過(guò)一天的超新星爆發(fā)。在這次持續二十一小時(shí)的爆發(fā)中，人們觀(guān)察到大大超過(guò)類(lèi)似情況的X射線(xiàn)。而X射線(xiàn)被廣泛看作是由超新星爆發(fā)后初步形成的不穩定的中子星發(fā)出。大量的觀(guān)測表明，伽馬射線(xiàn)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。

       反對上述看法的人士認為，這些說(shuō)法沒(méi)有排除X射線(xiàn)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(xiàn)噴發(fā)之間存在時(shí)間間隔的原因仍然不明。

       無(wú)論如何，人類(lèi)追尋來(lái)自浩瀚宇宙的神秘能量———伽馬射線(xiàn)暴的勢頭不會(huì )因為一系列的疑惑而減少，相反，科學(xué)家會(huì )更加努力地去探索。作為天文學(xué)的基礎研究，這種探索對人們認識宇宙，觀(guān)察極端條件下的物理現象并發(fā)現新的規律都是很有意義的。