伽馬射線，穿越時空？

天上的星星數不清。雖然我們看到的夜空是黑暗的，那無數的星星正在不斷地發出無數的光，其中只有微乎其微的光線能夠到達地球。而星星發出的光也只有極少數被物質吸收。如果想像一下今天的宇宙已經有了100多億年的歷史，其中存在的光似乎是一個無法描述的浩瀚概念，連「天文數字」一詞都顯得蒼白無力。

然而，今年11月1日，美國航空航天局（NASA）召開記者會宣布人類已經能夠「看到」宇宙中全部的光，而且明確指出是宇宙創始以來「所有星星所發出過的所有的光」（the total amount of light from all of the stars that have ever shone）。

NASA採用的方法是接收來自宇宙深處的伽馬射線，這些穿越了宇宙全部時空的信使不僅給我們帶來所有光場的訊息，還帶來了宇宙演化的歷史記錄，甚至還可能讓我們得以竊探看不見的暗物質。

伽馬射線和費米望遠鏡

伽馬射線是上世紀初首先在鐳原子的放射性實驗中被發現的。科學家後來才知道那是一種能量非常高的光子，也是目前所知能量最高的光。因為其能量太高，伽馬射線在介質中只能被吸收，不能像普通的光或電磁波那樣發生折射和反射現象。能量比較低的伽馬射線被吸收時會令原子電離產生光電效應，能量高的則會蛻變為正負電子對。它對人體有害，接觸時需要用比較厚的重金屬材料做保護。

除了放射性原子的衰變，伽馬射線也會在大氣層中因為閃電、雷雨或宇宙射線的激發產生。但其最大的來源還是天外的宇宙。好在地球的大氣層是天然的屏障，來自天外的伽馬射線基本上全在大氣層中被吸收而不會損害地球生物的健康。

也正因為如此，觀測宇宙射線中的伽馬射線必須走出大氣層，用高空氣球或人造衛星轉載專門的儀器測量。為此，NASA早在1991年便發射了一顆叫做「康普頓伽馬射線觀測站」的衛星，初步描繪出宇宙伽馬射線來源的全景。2002年，NASA發射「費米伽馬射線太空望遠鏡」衛星，攜帶更為先進的儀器取代已經失效墜毀的康普頓觀測站。

「望遠鏡」只是一個俗稱。因為伽馬射線不能被反射或折射，也就不可能像望遠鏡那樣聚焦。衛星上裝載的兩個探測儀都只是大面積的被動接收儀器，分別通過探測正負電子對和光電效應來辨別伽馬射線，並能相當準確地還原射線的來源方向、時間和能量等參數。也正因為不需要定向聚集，它們可以同時接收大範圍的信號。因此，該衛星每3小時繞行地球2周時便能將整個天幕掃描一次。這樣不斷地掃描的結果便能得到宇宙中幾乎所有的伽馬射線光源分布和它們隨時間的演變。

宇宙中所有的光

自然，這個「望遠鏡」接收到的最亮的伽馬射線來自我們地球所在的銀河系，大部分產生於高能的帶電宇宙射線與銀河系中星際物質和光子的碰撞和作用。通過對這些伽馬射線的分析可以得到那些星際物質、光和電磁場等分布的數據。

更有意思的是那些來自銀河系之外遙遠星空的伽馬射線，從那裡能夠來到地球的伽馬射線便少得多，帶來的信息也尤其珍貴。在距離我們幾十億光年之外有著大量的星系，其中心是巨型黑洞。這些黑洞在吞噬其周圍的星體物質時會向外發射以伽馬射線為主的能量流。如果這個發射的方向正好對著地球，便能夠被費米望遠鏡探測到。這樣的黑洞在天文學上叫做「耀變體」（blazar）。雖然我們剛剛才接收到，這些伽馬光子是在幾十億年前就已誕生，在那漫長的時間中穿越了浩瀚的距離才來到我們的門前。它們不僅僅帶來了遠古的信息，而且在征途上經歷了宇宙幾乎從初始到今天的種種變遷。

我們這個宇宙是在將近140億年前的大爆炸中產生的。大爆炸4億年後，早期的星球逐漸形成並開始發光。從那以後，越來越多的星球乃至星系不斷地誕生和死亡，並不斷地將自己的光線遍灑於宇宙空間。這些經過100多億年間積累的光至今仍在浩茫的空間中徜徉，形成主要由可見光和紫外線構成所謂的「星系背景光」。因為地球附近星光環境的干擾，我們不可能直接觀測到宇宙深處相對微弱的星系背景光。而那來自宇宙邊緣耀變體的伽馬射線便為我們提供了一個探測的途徑。

伽馬射線因為其高能量在宇宙空間幾乎完全暢通無阻，所以能夠來到地球附近。但它們之中的一些在途中也會偶爾與無處不在的星系背景光中的光子碰撞而衰變為一對正負電子，不再能抵達地球。NASA的研究計劃鎖定了150顆耀變體，長期跟蹤它們向地球發射的伽馬射線的強度。它們之中，距離地球比較近的耀變體的伽馬射線強度較高，而那些真正處於宇宙邊緣的遙遠耀變體的伽馬射線則需要精細測量才能辨識。這些數據的總和彙集了宇宙所有區域星系背景光的密度分布。也就是NASA所稱的我們得以見識宇宙創生以來所有星星所發出過的所有的光。

不僅如此，來自距離地球較近的伽馬射線途中只穿過了近代宇宙所含有的背景光場，而來自遙遠耀變體的射線則在那之前還經歷了早期宇宙的背景光。通過對不同距離射線源數據的分析我們可以獲得大爆炸後的宇宙早期星球及其發光的知識以及隨時間而變的過程，為宇宙描繪出一份獨特的演化歷史。NASA科學家現在認為宇宙最初星球誕生的時間可能比以前所猜想的晚一些。而這些早期星球與現在的恆星也大為不同，它們主要有氫原子組成，比今天的星星更大、更熱、更亮也更為短命。

暗物質

接近一個世紀以來，天文學家一直出於不同的原因懷疑宇宙中有我們看不見的物質存在。當代科學家根據現有的廣義相對論計算得出的結論是我們現在所看到的星星、塵埃和氣體等等只是宇宙中物質不到20%的部分，其餘80%以上是尚未能觀測到的所謂「暗物質」。暗物質有質量，能夠影響星系的分布和運動，但本身不發光也不與光子發生作用，所以無法被人類觀測到。

對暗物質的成分猜想很多，一個比較佔主流的理論是它們由質量相對較大、但相互作用非常弱的某種粒子組成。這種粒子的英文名字有一個簡單的縮寫叫做「膽小鬼」（Weakly Interacting Massive Particle——WIMP）。它們還有一點非常特別，就是它本身便是自己的反粒子。如果兩個「膽小鬼」粒子相遇就會窩囊地自行湮滅，衰變為一對高能量的光子，即伽馬射線。

如果這樣發生的伽馬射線不是極為罕見的話，費米衛星上的「望遠鏡」自然也應該能接收到其信號。的確，在對費米望遠鏡採集的數據分析中，科學家今年發現了一些異常、來路不明的伽馬射線。但他們目前還沒法確定這些信號是來自神秘的暗物質還是望遠鏡本身的故障。

2008年發射的費米望遠鏡設計壽命為5年，但希望能有10年的運行時間。目前它正值壯年，已經獲得顯著的新成果。而新一代的「望遠鏡」已經在設計之中，將能夠直接觀測星系背景光。更多的伽馬射線探測資源也將加入對可能是暗物質射線源的研究。人類對宇宙的認識在繼續推進著。

（題圖為NASA發布的整個宇宙伽馬射線源分布圖，中間明亮的部分是銀河系射線源。）

（作者：程鶚）

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