宇宙中最壯觀的「煙火」——伽馬射線暴

阿盟說

今天，阿盟和大家一起看看，「悟空」首擒的「小妖怪」到底是什麼呢？

撰文：王曄

責編：寒凌旭

審校：鄭永春

主編點評

伽馬射線爆發是整個宇宙中除創生宇宙的宇宙大爆炸之外，最為劇烈的能量爆發。在伽馬射線剛剛爆發的時候，其亮度甚至能照亮整個宇宙。所以，通過伽馬射線暴的觀測這面鏡子，我們可以窺見宇宙演化的前世今生。

近日，暗物質粒子探測衛星「悟空」號首次發布了其觀測成果： 「悟空」在近兩個月的觀測中，頻繁記錄到超大質量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發，光學觀測發現CTA 102開始處於新一輪活躍狀態，而這一觀測結果已在《天文學家電報》上發布。

那麼，這個被媒體稱之為「悟空」首擒的「小妖怪」——「伽馬射線爆發」，它到底是什麼呢？ 一起來看看吧。

發現伽瑪射線暴

「伽馬射線爆發」顧名思義，是一種被我們觀測到的宇宙射線（伽馬射線）大爆發現象，也被稱作「伽馬射線暴」。

人類第一次發現宇宙射線是在1912年，當時奧地利物理學家韋克多·赫斯乘坐熱氣球在高空中進行大氣輻射強度實驗。那時的主流學界認為，地球大氣中的電離是地球土壤岩石所含的放射性物質導致的，因此隨著高度增加，輻射強度會減弱。然而赫斯通過實驗發現，當氣球到達一定高度後，測量到的輻射強度開始增強。據此，赫斯大膽推斷：這種輻射必定來自地球以外的太空。最終，赫斯因發現了宇宙射線而榮獲1936年諾貝爾物理學獎。

時間輾轉到冷戰時期，美國於1960年代發射了用於監測蘇聯核試驗的 「船帆座」衛星，這顆衛星可以觀測到大氣中核爆炸所產生的各種射線。1967年7月，衛星突然檢測到伽馬射線爆發，而後的研究表明射線並非由地表核爆產生，爆發的來源是太空。在發現宇宙射線的55年之後，人類第一次觀測到伽馬射線暴，美國政府於1973年正式公布了這一觀測結果。

船帆座探測衛星

剎那閃耀：耀如銀河

伽馬射線暴在幾秒的時間裡能夠釋放出太陽一生所燃燒的能量，是已知宇宙中除「大爆炸」以外最猛烈的爆發，其亮度非常驚人。例如1997年12月14日觀測到的一次伽馬射線暴，距離地球約120億光年，它在爆發的50秒內就釋放出了相當於整個銀河系200年釋放的輻射能量總和，它在爆發的最初1、2秒內，照亮了幾乎整個宇宙。

伽馬射線暴

大部分伽馬射線暴的持續時間非常短暫，一般在幾秒到幾千秒之間，科研人員很難測定它們與地球的距離。目前，世界上有數個專業衛星監測宇宙中的伽馬射線暴發，如日本的Ginga，美國的CGRO和意荷合作發射的BeppoSAX，中國的悟空號等。科學家已經通過這些衛星和一些太空望遠鏡，逐漸建立起了搜尋和測定伽馬射線暴距離和方位的研究系統。

能量之源：超新星與磁星

伽馬射線暴通常會隨著超新星爆炸而產生，因為超新星內部可能會形成快速自旋的中子星。其中一些中子星具有超強的磁場，在衰變的過程中不斷釋放高能電磁輻射，主要以伽馬射線和X射線為主，因此這種中子星又被形象地稱為「磁星」。

超新星爆發與伽馬射線暴有關

例如2011年觀測到的超新星SN 2011ki的輻射能量並非來自恆星的常規放射性衰變，而是由一個同樣在不斷衰變但擁有強大自旋磁場的磁星提供能量。

換言之，伽馬射線暴產生的一個可能原因就是大質量恆星的死亡。2002年英國某科研小組對XMM-牛頓衛星觀測到的270秒伽馬射線暴數據進行研究後發現，伽馬射線暴與超新星有直接關聯。進一步研究表明，超新星的爆發可能會在數周至數月不等的時間內引發伽馬射線暴。目前在學界，大質量恆星的死亡（即超新星爆發）會產生伽馬射線暴已逐漸得到認同。

超新星爆發

長暴與短暴

伽馬射線暴發生時，其產生的能量會超過周圍區域任何能量的釋放形式。但在短時間內，這些能量迅速衰變，最終消失在宇宙背景輻射的雜訊中。這些伽馬射線暴長的可達到上千秒，短則數秒甚至幾分之一秒，據此伽馬射線暴可以分為長暴和短暴兩類。而據推測，這兩類伽馬射線暴產生的原因也不相同。

長暴一般產生於超新星爆發，超新星爆發是宇宙中最壯觀的事件，它是一顆大質量恆星在老年階段的死亡過程。在爆發過程中能量會以伽馬射線暴的方式釋放出來橫掃宇宙。對於持續時間特別長的伽馬射線暴，一個可能的解釋是：只有當恆星在末期向內坍縮形成一個高密度強磁場的中子星（磁星）的過程中，才能以電離輻射的形式將能量攜帶和釋放出去，因此可能會持續較長的時間。

研究人員普遍認為產生這種超長伽馬射線暴的恆星質量至少應當是太陽的50倍以上。但2016年最新的觀測和研究並不支持這一假說，因為研究人員發現一次超長時間的伽馬射線暴，其磁星的前身恆星質量僅相當於太陽的8倍。

超新星爆發

另外一種則是短暴，時長僅有幾秒鐘，人類目前觀測到的約三分之一的伽馬射線暴屬於此種。在極短的時間內釋放出如此巨大的能量，普通超新星爆發無法做到，極可能是大質量天體的合并產生的。因此科學家推測，短暴可能由中子星與中子星，或中子星與黑洞的合并而觸發。

大質量天體合并產生伽馬射線暴

因為兩個天體的碰撞融合會在極短時間內形成極其強大的磁場，變成一個超強的粒子加速器，給天體中的一切物質賦予極大的能量而噴射出去，從而引發伽馬射線暴。關於短暴的產生原因尚未得到證實，並且由於計算的模式複雜到難以想像，這一推論甚至無法用計算機進行模擬。

蟹狀星雲

散發著幽靈般光芒的蟹狀星雲是一顆死亡恆星的殘骸，其超新星（SN 1054）爆發於公元1054年被觀測到。蟹狀星雲的中心天體是一顆脈衝星(PSR B0531+21)，哈勃望遠鏡觀測證實，該脈衝星質量與太陽相當，但半徑僅12公里左右，其密度是鋼的1000億倍，每秒自轉約30次。同時這個中子星擁有一個異常強大的磁場，使得該星產生同步輻射，不斷發射出從無線電到伽馬射線不同波長的電磁波，其超高的能量伴隨規則的電磁波形成了衝擊波陣面。

蟹狀星雲中心衝擊波陣面

蟹狀星雲脈衝星是世界上第一顆被確定與超新星爆炸有關的天體，其X射線與伽馬射線輻射非常穩定，因此被科學家作為標準來衡量宇宙中其它射線的輻射強度。同時，蟹狀星雲脈衝星也是一個非常好的研究伽馬射線輻射行為和時間的例子，科研人員可以以此探索天體內部粒子加速和輻射的狀況，更好地理解伽馬射線暴這一現象。

蟹狀星雲

射線與地球

原則上來講，伽馬射線暴的能量如此之大，絕對足以對地球構成危險，萬幸的是目前所知的伽馬射線暴都發生在非常遙遠的宇宙，其輻射到達地球時已經微乎其微了。但是，一旦銀河系附近甚至內部出現伽馬射線暴，其高劑量的輻射必定會對地球及其大氣產生深遠的影響。

幸運的是這種情況也是不多見的，據觀測統計，每10000顆超新星中，僅有100顆伽馬射線暴的輻射方向指向地球方向，並且銀河系中出現超新星的概率約為每100年3到4顆，這一數字也已大大少於過去幾十億年。

不過據科學家推算，在地球過去的50億年間發生一次致命伽馬射線暴的概率達到90%，過去5億年發生的概率也有50%。因此也有科學家認為，地球4.4億年前的生物大滅絕極有可能與超新星爆發產生的伽馬射線暴有著密切的關係。彼時地球的磁場和大氣不及現在穩定，因此對輻射的抵禦十分有限，因此伽馬射線暴的大劑量輻射導致了4.4億年前在近水生活的三葉蟲的滅絕是比較有說服力的。

如此看來，地球似乎仍處在可能的危險之中，當伽馬射線暴發生在距地球3000光年以內時，人類的生活將受到影響，當發生距離縮短到500光年時，地球上的所有植物將遭到嚴重破壞，食物鏈將會瓦解。不過俄亥俄州立大學的研究人員給我們帶來了令人放心的消息：超新星爆發及伽馬射線暴常發生於那些處於演化早期，尚有許多超大質量恆星的星系，而銀河系已經是一個演化得相對「成熟」的星系，因而我們擁有著一個非常安全舒適的居住環境。同時，在可預見的未來，可能會形成超新星併產生伽馬射線暴的恆星都位於遠離地球的位置，這也許對於天文研究並非樂事，但卻是地球和人類的福音。