在令人震驚的能量大暴發(fā)背后，到底隱藏著宇宙什么樣的“終極秘密”

自137億年前宇宙創(chuàng)生大爆炸以來，人類所了解到的最為猛烈的能量釋放，或許非“伽馬射線大暴發(fā)”（GRB，下稱“伽馬暴”）莫屬。在短短以秒計算的時間內(nèi)，它釋放出的能量，比太陽整個生命周期釋放的能量總和還要高出百倍。這種爆炸足以照亮整個宇宙。

這種令人驚駭?shù)哪芰看蟊ū澈?，或許隱藏著宇宙更深層次的秘密。因此，“伽馬暴”在過去40多年中，一直是天文學家關注的焦點。

按照計劃，美國當?shù)貢r間2008年6月11日，美國宇航局（NASA）的GLAST空間天文望遠鏡將搭乘“德爾塔”火箭升空，這也是科學家試圖揭開“伽馬暴”秘密的最新嘗試。

GLAST，全稱為“伽馬射線廣域空間望遠鏡”（Gamma-ray Large Area Space Telescope），按照其首席科學家斯蒂芬里茲（Steve Ritz）的說法，這將是人類發(fā)射的第一個可以在三個小時內(nèi)巡視整個天空的伽馬射線望遠鏡。

此前，2004年升空的“雨燕”（SWIFT）探測器，已經(jīng)大大擴展了人類對于“伽馬暴”的理解，但是很多至關重要的問題卻仍然懸而未決。

“雨燕”首席科學家兼GLAST的副首席科學家尼爾格瑞爾斯（Neil Gehrels）對《財經(jīng)》記者表示，GLAST將和“雨燕”一起，為人類打開一個關于“伽馬暴”所有重要信息的“金礦”。

無心之得

早在20世紀50年代，美國麻省理工學院的物理學家菲利浦莫里森（Philip Morrison）等人就預測，在我們所處的銀河系中，當高能量的宇宙射線與星際物質(zhì)發(fā)生碰撞時，有可能產(chǎn)生伽馬射線。

所謂伽馬射線，和我們所熟悉的可見光、無線電波一樣，實質(zhì)都是電磁輻射。只不過由于其波長更短，往往所攜帶的能量更高。比如可見光攜帶的能量，一般不超過3個電子伏特，但伽馬射線的能量卻往往高達百萬甚至百億電子伏特。

但人類第一次真正觀測到伽馬射線暴發(fā)，卻多少有些陰差陽錯。

從20世紀60年代開始，為了避免美國和前蘇聯(lián)之間的核競賽把整個人類文明拖入深淵，雙方開始談判加以克制。其直接成果就是1963年8月5日，美、蘇、英三國在莫斯科簽訂《禁止在大氣層、外層空間和水下進行核武器試驗條約》（下稱《部分禁止核試驗條約》）。

條約生效后，為了監(jiān)測前蘇聯(lián)是否切實遵守約定，美國發(fā)射了一系列裝備了伽馬射線探測器的軍事衛(wèi)星，用來監(jiān)測地球上何時何地在大氣層或外層空間發(fā)生了核爆炸試驗。因為無論是原子彈還是威力更大的氫彈，爆炸瞬間生成的熾熱火球，都會產(chǎn)生大量高能射線，伽馬射線就是其中最具穿透力、也最容易探測的一種。

從1963年10月到1970年4月，美國共發(fā)射了12顆Vela偵察衛(wèi)星，這些衛(wèi)星上都裝備了伽馬射線、X射線探測器、中子計數(shù)器等核爆炸監(jiān)測設備。

1967年7月2日，一直沒在蘇聯(lián)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)核爆炸的Vela衛(wèi)星，卻偶然發(fā)現(xiàn)了來自太空的伽馬射線突然增加。

通常，在一次常規(guī)核爆炸試驗中，伽馬射線的釋放有兩次高峰：第一次是在原子彈點火時產(chǎn)生的，不過產(chǎn)生的伽馬射線量很?。痪o接著在核材料鏈式反應之后，產(chǎn)生的伽馬射線數(shù)量才會激增。而這次Vela所接收到的伽馬射線暴發(fā)卻是一次性的，并非來自地面或者地球大氣層，而是來自遙遠的宇宙深處。

不過，早期科學家對于“伽馬暴”的了解，很大程度上仍處于蒙昧狀態(tài)。中國科學院紫金山天文臺研究員、中國科學院院士陸對《財經(jīng)》記者解釋說，當時觀測到的只是持續(xù)幾十秒的光點而已，并不知道它到底距離地球有多遠，自然也不知道它的能量到底有多大。這種光點后來雖然經(jīng)?？梢钥吹剑捎诔掷m(xù)時間太短，在將近20年的時間內(nèi)，一直無法進行精確觀測。

“黎明時期”

1991年，美國宇航局的康普頓伽馬射線天文裝置發(fā)射升空，從而正式拉開了對“伽馬暴”探索的“黎明時期”。利用它所攜帶的四種儀器——短脈沖瞬變源試驗設備、定向閃爍光譜儀、康普頓成像望遠鏡和高能伽馬射線試驗望遠鏡，科學家第一次能夠?qū)Α百ゑR暴”進行精細研究。

康普頓實際上工作了整整九年，觀測到了共計2700多個“伽馬暴”，并且發(fā)現(xiàn)這些“伽馬暴”來自宇宙中各個方向。

在早期，圍繞著“伽馬暴”的諸多爭議中，一個重要的話題就是這一天文現(xiàn)象到底是發(fā)生在銀河系內(nèi)部，還是發(fā)生在遙遠的外星系？這一發(fā)現(xiàn)在很大程度上回答了這個問題。

陸告訴《財經(jīng)》記者，如果“伽馬暴”來自銀河系內(nèi)部，那么其分布應該是帶狀的，因為銀河系恒星的分布是餅狀的。但實際上，“伽馬暴”來自各個方向，意味著它有很大的可能性發(fā)生在銀河系之外。

如果這些“伽馬暴”發(fā)生在遙遠的宇宙深處，仍能夠在穿越宇宙億萬年之后清晰可見，足見其最初暴發(fā)的能量之大。之前，人類已知的宇宙中最猛烈的暴發(fā)為超新星，它在很短的時間內(nèi)釋放出來的能量，幾乎相當于太陽從誕生到毀滅產(chǎn)生的能量總和。但“伽馬暴”看上去比這種暴發(fā)還要猛烈，因此又被稱為“超超新星”。

1996年4月，意大利與荷蘭聯(lián)合發(fā)射了一顆載有伽馬射線和X射線探測器的天文衛(wèi)星BeppoSAX。由于X射線波長較長，定位能力比伽馬射線要強，所以，BeppoSAX可以在伽馬射線探測器發(fā)現(xiàn)“伽馬暴”后，快速測定出“伽馬暴”的位置，并傳送給哈勃太空望遠鏡和地面上的光學和射電望遠鏡，對其進行后續(xù)觀測。

1997年2月28日，在BeppoSAX的指引下，天文學家終于利用地面望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一個編號為GRB970228的“伽馬暴”對應的光學產(chǎn)物——“光學余輝”——“伽馬暴”產(chǎn)生的激波與周圍的物質(zhì)碰撞之后，會形成能量更低甚至低到可見光波段的“次級效應”，理論上預測其持續(xù)時間可能長達數(shù)月。

“光學余輝”正式被探測發(fā)現(xiàn)，也徹底終結(jié)了困擾天文學界近30年的距離之爭。因為通過測定“余輝”中特定原子譜線的紅移程度，就可以根據(jù)宇宙膨脹的速度，計算出“伽馬暴”發(fā)生的確切位置。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“伽馬暴”不僅發(fā)生在直徑達10萬光年的銀河系之外，實際上它遠比我們之前所想象到的更加遙遠，即在幾十億光年外；而根據(jù)它們到達地球的亮度推算，“伽馬暴”在暴發(fā)時所釋放的能量，相當于太陽在100億年生命周期中釋放的總能量的上百倍。

實際上，這次觀測到的“伽馬暴”，還遠不是暴發(fā)最猛烈的。就在1997年12月14日觀測到的一次距離地球120億光年的“伽馬暴”，所釋放的能量比超新星暴發(fā)還要大幾百倍：在50秒內(nèi)所釋放出伽馬射線能量，就相當于整個銀河系200年的總輻射能量。它不僅照亮了廣袤的宇宙空間，在其周圍幾百公里，甚至出現(xiàn)了宇宙大爆炸后最初千分之一秒內(nèi)才出現(xiàn)過的高溫高密現(xiàn)象。

2008年3月19日“雨燕”發(fā)現(xiàn)的一個“伽馬暴”，甚至發(fā)生在75億光年之外。但其產(chǎn)生的余輝仍然比最明亮的超新星高出250多萬倍，在地球上僅憑肉眼就可以看到。

能量來自何處

因此，在陸看來，1997年BeppoSAX劃時代的發(fā)現(xiàn)，雖然完美地解決了距離問題，但也同時帶來了一個同樣棘手的問題：“伽馬暴”大得驚人的暴發(fā)能量到底來自何處？

南京大學天文系教授黃永峰在接受《財經(jīng)》記者采訪時表示，由于“伽馬暴”亮度的變化往往是毫秒量級，這說明其爆炸范圍的尺寸，應該在幾十公里到幾百公里以內(nèi)。否則，爆炸源不同地方發(fā)出的光，到達觀測者的時間就會有先有后，原來的快速變化也就被抹平。

這就意味著，導致“伽馬暴”產(chǎn)生的只能是恒星層次的天體，而且必須是致密恒星，就是質(zhì)量與太陽同量級、但尺寸小于100公里的天體。而太陽的直徑，大約為140萬公里。

然而，很難想象這么小尺寸的天體，會在一瞬間暴發(fā)出如此巨大的能量。即使其所有的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成輻射能，似乎也是杯水車薪。

要解釋這個問題，一個比較自然的假設，就是“伽馬暴”不是各向同性，而是成束的，我們觀測到的“伽馬暴”，恰好把主要的能量都釋放到了地球方面，而不是沿著各個方向均勻分布的。這樣，從觀測到的強度來推算總輻射時，能量就不會高得太離譜。

不過，在黃永峰看來，“伽馬暴”成束的一個直接后果就是大大降低了觀測到的概率，因為只有束流對準地球時我們才能觀測到。但鑒于現(xiàn)在只要有合適的衛(wèi)星在天上飛行，一般每天差不多可以觀測到一到三個“伽馬暴”來推算，束流張開的角度也不會太小。因此，這一理論仍然不能徹底解決“伽馬暴”的能源問題。

1992年至1994年間，在BATSE測得“伽馬暴”的各向同性分布的啟發(fā)下，科學家提出了“伽馬暴”的標準模型—— —個溫度極高的火球，它以略低于光速的速度膨脹，從而在星際介質(zhì)中產(chǎn)生激波。而在激波作用下，星際物質(zhì)中的電子也被加速到亞光速；這些亞光速的電子在磁場運動，就會產(chǎn)生同步輻射，導致伽馬射線輻射大暴發(fā)；然后，激波在星際介質(zhì)中進一步傳播并被減速，隨著速度的繼續(xù)降低，便相繼產(chǎn)生X射線、光學、射電等波段的輻射，這就是“余輝”。

目前，這種火球模型已經(jīng)成為早期所提出的30多種模型中，最接近觀測事實的一個，并正在被更多的觀測數(shù)據(jù)證實。

早在BeppoSAX時期，人們就發(fā)現(xiàn)了“伽馬暴”分為兩秒到幾十秒左右的“長暴”，以及兩秒以下甚至幾毫秒的“短暴”兩種。

不過，由于“短暴”時間太短，BeppoSAX來不及對其進行精確定位。一直到2004年“雨燕”升空后，“短暴”才被細致地加以研究。

據(jù)最新觀測成果，陸對《財經(jīng)》記者說，目前主流的看法是，“長暴”很可能來自于大質(zhì)量恒星死亡時突然塌縮形成“黑洞”的過程中。在大質(zhì)量恒星的生命終點，其核心部分就會因為燃料耗盡而坍縮成中子星；如果質(zhì)量夠大，還會進一步坍縮成密度大到連光線也無法逃逸出來的“黑洞”。在這一過程中，沿著旋轉(zhuǎn)軸會產(chǎn)生兩束接近光速的噴流，這些噴流與“死亡之星”外圍的物質(zhì)碰撞形成的激波，就成為“伽馬暴”之源。或許，噴流與周圍物質(zhì)的捧撞過程，也會直接產(chǎn)生“伽馬暴”。

1998年，陸和南京大學天文系教授戴子高曾一起發(fā)表了關于GRB970616的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其“余輝”能譜與標準模型不一致，其周圍環(huán)境顯示屬于密度逐漸減少的星風介質(zhì)；而星風介質(zhì)，正是“伽馬暴”前身大質(zhì)量恒星遺留下來的。

由于對“短暴”的了解更少，我們對其產(chǎn)生機理的認識也充滿了更多的不確定性。

雖然很多人認為，“短暴”的產(chǎn)生或許與兩個致密星（中子星、奇異星、黑洞等）的合并或者碰撞有關。但也有科學家認為，大質(zhì)量恒星直接坍縮成黑洞的過程，以及中子星坍縮成黑洞的過程，甚至高度磁化的中子星-磁星輻射出來的巨大耀斑，都可能直接產(chǎn)生“短暴”。

“天使”還是“魔鬼”

從40年多前“冷戰(zhàn)”時期的一個偶爾測到的信號發(fā)展到現(xiàn)在，“伽馬暴”已經(jīng)成長為一個系統(tǒng)宇宙學科。

綜觀過往的歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)，每一次重大的觀測儀器的發(fā)射，無論是康普頓伽馬射線天文臺還是后來的BeppoSAX、“雨燕”，都極大地拓展了科學家對于“伽馬暴”的認識。因此，人們也有理由期待，GLAST望遠鏡會續(xù)寫這一傳奇。

在此次發(fā)射升空的GLAST望遠鏡上，裝備了兩個重要儀器：一個是廣域望遠鏡，另一個是“伽馬暴”監(jiān)視器。這一探測器計劃工作五年，最長可以達到十年，將能夠探測到幾百個“伽馬射線暴”。

該項目副首席科學家尼爾格瑞爾斯對《財經(jīng)》記者表示，“伽馬暴”的研究，對于人類了解恒星生命的周期，它們?nèi)绾谓Y(jié)束自己的生命都至關重要。

實際上，不僅僅是美國，全世界科學家都在關注著即將到來的“伽馬暴”革命。因為與“伽馬暴”存在關聯(lián)的，絕對不僅僅是恒星這種天體，它和整個宇宙的參數(shù)密切相關。比如構(gòu)成宇宙主體的，是我們知之甚少的暗能量。天文學家主要是通過對超新星的觀測，來推算其性質(zhì)。而與超新星相比，不懼宇宙間的塵埃、穿透力更強的“伽馬暴”，顯然是研究暗物質(zhì)以及整個宇宙的終極秘密時更好的觀測對象。

不過，盡管來自宇宙深處的“伽馬暴”，能夠給人類帶來宇宙誕生之初的消息；但發(fā)生在銀河系里的“伽馬暴”，卻有可能威脅地球的生命。

2003年9月，美國堪薩斯大學阿德里安梅洛特（Adrian Melott）和從事考古學的同事布魯斯里伯曼（Bruce Lieberman）發(fā)現(xiàn)，4.43億年前的奧陶紀晚期大滅絕，很可能就是“伽馬暴”造成的。

對于奧陶紀末期的生物大滅絕，科學家之前提出了很多假說，但是一直無法解釋冰期是如何突然開始的。而能夠遮蔽太陽的“伽馬暴”攻擊，則提供了一個合理的解釋。

盡管地球大氣層將吸收大部分的高能伽馬射線，但是伽馬射線的能量將會打開氮分子和氧分子，從而形成大面積的氮氧化物云層。梅洛特估計，一次“伽馬暴”照射，就足以產(chǎn)生覆蓋整個天空的“毒霧”，遮蔽將近一半本來應該照射到地面上的太陽光，令地球陷入陰暗；同時，二氧化氮也會破壞臭氧層，使得地球生物暴露在過量的紫外線之下長達一年以上。

或許，這可以解釋為什么在這次大滅絕中，地表和淺海生物幾乎被大清洗，而深海生物幸存率卻要高得多。因為厚厚的海水屏蔽了致命的紫外線，為地球保留下來最后的生命空間。

幸運的是，科學家們相信，在太陽所在的銀河系發(fā)生“伽馬暴”的概率是很低的。因為在銀河系中，恒星的重金屬與其他星系相比明顯偏高。這樣，當大質(zhì)量恒星走到生命終點之際，大部分來自恒星內(nèi)部的能量都將被這些重金屬吸收，就很難形成亞光速的噴流并進而引發(fā)“伽馬暴”。

然而，即使“伽馬暴”不發(fā)生銀河系內(nèi)，但一旦其暴發(fā)的“槍口”恰好對準地球、距離又不太遙遠，仍有可能對地球構(gòu)成威脅。今年3月，澳大利亞悉尼大學的天文學家彼得托希爾（Peter Tuthill）警告說，他在八年前發(fā)現(xiàn)的形似輪轉(zhuǎn)焰火的WR104恒星，很有可能在某一天會暴發(fā)出致命的伽馬射線，并危及地球。

該雙星系統(tǒng)位于與銀河系相鄰的人馬座星系，距離地球約8000光年。托希爾相信，這個大小是太陽的3倍、質(zhì)量是太陽的25倍、亮度是太陽1萬倍的天體，目前正處于通過爆炸結(jié)束其生命的最后階段。

在地球上之所以能看到它旋轉(zhuǎn)的焰火，正因為地球正處在其旋轉(zhuǎn)的中軸上，伽馬射線也將沿這個方向射出?！拔疫^去只因其漂亮的外形而欣賞此螺旋天體，但現(xiàn)在我正看著一支來復槍的槍口?！彼f。

當然，這顆“定時炸彈”的“保險絲”盡管很短，也仍然是在幾十萬年的尺度上?；蛟S我們現(xiàn)在還不必太擔心，一是因為地球的體型很小，很容易錯過；即便錯不過，畢竟還有幾十萬年的時間，或許那時地球早已不再是人類惟一的家園了?！?/p>