（图片来自戴子高教授ppt）

作者 | 黄驰

在墨子沙龙1月20日举办的《天文·云大会》上，来自南京大学的戴子高教授给我们带来了关于伽玛射线暴的科普讲座。作为宇宙中最璀璨的礼花，伽玛射线暴以其强大的能量、巨大的破坏力著称，但不要被它的表象所迷惑，这种绚烂的天文现象背后，隐藏着许多关于宇宙的秘密。

天文学家们对伽玛射线暴的研究，可以帮助我们更好的了解宇宙环境，推测地球生命大灭绝的原因等。不过，在认识伽玛射线暴之前，我们先来了解一下伽玛射线。

伽玛射线，名称来自希腊字母γ，是一种电磁波，我们生活中常见的可见光、红外线也是电磁波。伽玛射线的特点是波长小，频率高。伽玛射线是频率最高的电磁波，它相应的光子能量也是最高的。

 

电磁波谱（图片来自维基百科）

 

伽玛射线能量如此之高，以至于它可以破坏原子的电子结构，原子中的电子吸收伽玛射线后可以摆脱原子核的束缚，变成自由电子，我们把这种现象叫做电离。如果用伽玛射线照射生物体，它可以轻易地进入生物体内，破坏细胞里面的重要分子，如蛋白质、DNA等。原子弹爆炸会产生大量的伽玛射线，杀死周围的一切有生命物体。不过它的破坏力也可以被人类用来救人，医学上就利用其对细胞的杀伤能力治疗肿瘤。

 

伽玛射线暴的发现历史

伽玛射线暴是在宇宙空间发生的伽玛射线闪耀现象，关于伽玛射线暴是如何被发现的，还有一个有趣的小故事。

1963年美苏冷战期间，因为核武器爆炸时会放出大量的伽玛射线，美国为了监测苏联的核武器数量，向太空发射了数颗“Vela”间谍卫星（Vela是西班牙语“看守者”的意思），这些卫星可以检测地球上的伽玛射线强度。为了排除宇宙中的信号本底的干扰，Vela卫星也顺便观测了其他方向的伽玛射线。

不看还好，看了可把美国人吓坏了。在1967年，有两颗卫星突然发现了很强的伽玛射线爆发的信号，并且跟普通的核武器爆炸发出的信号很不同！美国人慌了，难道苏联又研制出了新品种的核武器？军方赶紧叫来科学家反复核查，最后发现，这些伽玛射线爆发的信号并非来自地球，而是来自地球以外的宇宙空间。

不过这个发现在当时是属于美国的军方机密，所以人类第一次观测到伽玛射线暴，就这样悄无声息地被美国军方压了下来。直到1973年，美国人才公布了这个发现，并立刻引起了全世界天体物理学家的强烈兴趣，科学家们纷纷开始研究伽玛射线暴。在1997、1999、2003、2005、2017年，与伽玛射线暴有关的研究都进入了美国《科学》杂志的年度十大科技进展。

 

Vela卫星（图片来自维基百科）

 

伽玛射线暴的特点

伽玛射线暴如此被天文界瞩目，它是否有非常奇特的性质？经过研究，伽玛射线暴有以下几个特点：

1.方向性

伽玛射线暴具有高度的方向性，伽玛射线的放射都集中在两个相反的方向。

 

 

伽玛射线暴（图片来自维基百科）

2.能量高

一次伽玛射线暴可以放射出10^44焦耳的能量，相当于10^34吨TNT炸药爆炸释放的能量，相当于一千亿亿亿颗500公斤量级的铀235原子弹爆炸释放的能量。

 

原子弹爆炸（图片来自百度百科）

 

伽玛射线暴一秒钟释放的能量，超过了太阳燃烧一百亿年释放的能量。而太阳燃烧的能量如果全部对准地球，不到两秒，地球上的海洋就会蒸发殆尽。

 

如果在距离我们几光年远的地方发生了伽玛射线暴，并且方向对准了我们，那么我们地球对着伽玛射线暴的那一面将会完全被烤焦。

 

3.高度空间各向同性

1991年，康普顿g射线空间天文台（CGRO）发射升空后，发现的宇宙伽玛射线暴数量比以前大大增加，平均每天都会发现一例。CGRO将伽玛射线暴发生的位置在坐标图上画出来，发现其在天空中的分布是完全随机的，具有高度的空间各向同性。

 

伽玛射线暴空间分布（图片来自戴子高教授ppt）

 

高度的空间各向同性，在天文学中通常意味着，这种现象发生在宇宙学距离里，也就是说是发生在离银河系很远的地方。这是因为，如果伽玛射线暴是发生在银河系中的，由于银河系的恒星形成多集中在银盘之中，不可能呈现出如此高的各向同性。

1997年，由意大利空间局和荷兰航空航天计划局共同研制的BeppoSAX卫星，在名为GRB970228的伽玛射线暴消失后，在原爆发地点的宿主星系中发现了X射线余辉，20小时后，William Herschel 望远镜在同样的位置发现了光学余辉，这被认为是伽玛射线暴研究中的里程碑事件，这意味着我们可以用不同的波段来进一步地研究伽玛射线暴。

不过由于当时发现的这个宿主星系的星光过于暗淡，人们无法测量出宿主星系离我们准确的距离。后来，BeppoSAX又发现了另一个伽玛射线暴GRB970508，研究人员从宿主星系的光谱中得到，这个星系的红移值为0.835，这意味着这个伽玛射线暴的宿主星系距离地球大概有60亿光年，这是第一次确认出伽玛射线暴发生的距离，这意味着伽玛射线暴通常发生在距离我们非常遥远的星系.

  

BeppoSAX卫星发现伽玛射线暴X射线余辉
（图片来自戴子高教授ppt）

 

伽玛射线暴的辐射机制

伽玛射线暴的光变曲线和能谱特征都很复杂，无规则。持续的时间从毫秒到千秒，光子的能量范围从10keV-10GeV不等。这让伽玛射线暴的分类变得尤为困难。

 

天文学家通常采取一个很简单的分类方法：根据爆发时间比2秒长或是短，将伽玛射线暴分为长暴和短暴，有时候也把超过1000秒的伽玛射线暴称为极长暴。我们观测到的伽玛射线暴中，长暴约占70%，短暴约占30%。

 

伽玛射线暴的辐射机制，到现在仍有很多争论，比如伽玛射线暴是如何高效（超过50%的转化效率）地把能量转化成辐射的，一个成功的模型还必须要解释出能够使伽玛射线暴呈现出多种多样的光变曲线，能谱的物理过程。

 

目前一个比较被普遍接受的理论是喷流模型。      

 

伽玛射线暴喷流模型（图片来自戴子高教授ppt）

 

喷流模型认为，爆发中心是一个由黑洞或者快速转动的中子星，而它周围有环绕着它的物质盘，由于强磁场的作用，会有极端相对论性（速度很接近光速）的喷流从物质盘中心附近发出，当不同速度的极端相对论性喷流在向外面运动的时候相互碰撞，会使物质极度加热并形成火球，从而产生强烈的伽玛射线暴。这些喷流跟外面介质相撞，就会产生X射线，可见光，射频波段的其他余辉辐射。

 

关于伽玛射线暴的爆发中心，目前认为有三个机制。

 

第一个机制，对于爆发时标比较长的伽玛射线暴，它们产生于大质量恒星（一般指大于8倍太阳质量的恒星）演化后期的超新星爆发，晚期恒星中心的铁核爆炸，形成了致密的残骸——中子星或黑洞。在2003年3月29日，我们在同一个方向，同一个时间观测到了伽玛射线暴和超新星2003DH，这是伽玛射线暴产生于大质量恒星超新星爆炸直接的证据。

 

超新星爆发（图片来自NASA网站）

 

第二个机制，对于伽玛射线短暴，一般认为是双中子星并合产生的。中子星是由大质量恒星演化后期超新星爆发形成的，是已知宇宙中最致密的天体。每立方厘米的中子星物质质量就大于13亿中国人总的质量。当两颗中子星形成了互相环绕的双星系统，根据广义相对论，它们会以引力波辐射的形式往外辐射能量，这导致两颗中子星靠得越来越近，最终产生并合，同时在某一个方向产生喷流，喷流方向就产生了伽玛射线暴。在2017年10月16日公布的那个举世瞩目的天文大事件中，人类首次首次观测到了双中子星并合的引力波事件，并且在同样的位置观测到了伽玛射线暴的信号，这标志着天文学多信使时代的到来，也为伽玛射线暴产生于双中子星并合这个理论提供了有力的证据。

 

双中子星并合（图片来自戴子高教授ppt）

 

第三个机制是中子星的相变。一个中子星一般来说是一点几倍的太阳质量，半径只有十公里。中子星里面主要是由中子组成，而中子是由夸克组成的，当中子星旋转变得原来越快的时候，中子星里面强相互作用不能承受之后，这个中子星会相变成夸克星，相变过程中可能产生伽玛射线暴。不过目前我们还没有在宇宙中观测到夸克星的存在，所以这个机制目前只能停留在理论层面。

 

中子星相变成夸克星（图片来自戴子高教授ppt）

  

伽玛射线暴对人类的影响

我们目前观测到的伽玛射线暴都来自银河系外的宇宙深处，离我们的距离非常遥远，所以对我们基本没有什么影响。但是如果伽玛射线暴在银河系中发生，情况就不同了。即使是距离我们4000光年远的爆发，只要爆发的角度合适，到达地球的时候伽玛射线暴会扩展成一个100光年大的面，横扫整个太阳系，氧气和氮气在伽玛射线的作用下会生成一氧化氮和二氧化氮，这些氮的氧化物会破坏地球的臭氧层，令地球受到的紫外线照射大大增加，并且它们会形成光化学烟雾，遮挡住部分的阳光，使地球变冷，造成“宇宙学寒冬”。有证据表明，在4.43亿年前的奥陶纪生命大消亡，有可能就是由于地球受到银河系中发生的伽玛射线暴照射的结果，它造成海洋表面浮游层的生物大量死亡，只有深海区域的生物幸存。

 

 奥陶纪海洋生物

（图片来自http://www.ucmp.berkeley.edu/ordovician/ordovician.php）

 

虽然伽玛射线暴对于人类的存亡威胁很大，大家也不必过于担心，研究表明银河系中发生伽玛射线暴事件的概率非常低，可能1000万年才会发生一次。即使发生了，只要地球不在伽玛射线暴辐射的特定方向上，也不会受到多大的影响。

 

研究伽玛射线暴的意义以及前景

伽玛射线暴是宇宙极端条件下产生的现象，自然界的四种基本相互作用力在其中都发挥着作用：万有引力控制着中心黑洞周围的空间性质，电磁相互作用和弱相互作用影响伽马射线辐射的形成，强相互作用影响中子星的内部性质，对伽玛射线暴的研究，有利于理论物理对于四种基本相互作用力的研究，甚至于改写我们一直以来的天体物理理论；伽玛射线暴大多发生在距离我们很远的宇宙深处，对于我们研究早期宇宙的宇宙环境，宇宙的演化，宇宙学模型的限制都有着重要意义；并且最重要的是，伽玛射线暴对于生命体的危害巨大，若是有一天我们不得不面对伽马射线暴的到来，我们有没有方法可以防范于未然呢？所以把它研究透彻，关系到人类未来的生死存亡。

 

而我们现在对伽玛射线暴其实还知之甚少。伽玛射线暴的中心引擎到底是什么，黑洞，中子星还是夸克星？伽玛射线暴本身辐射的规律是什么？机制是什么？这些核心问题我们都还没有定论。

 

天文是一门观测的科学，为了解决这些问题，我们还得靠天文观测，其中的关键就是天文望远镜。人类发射了很多可以研究伽玛射线暴的高能卫星，Swift卫星，Fermi卫星，HXMT望远镜卫星，中法建设的SVOM卫星，还有升级的LIGO和Virgo的研究探测器用于研究伽玛射线暴。

 

Swift卫星（左），Fermi卫星（右）（图片来自戴子高教授ppt）

 

我们中国的硬X射线调制望远镜“慧眼”卫星在2017年1月15日已经成功发射，其中一个主要的功能就是检测伽玛射线暴。另外中法合作的空间变源监测卫星（SVOM）将于2021年发射，它可以监测伽玛射线暴，监测光学软X射线等等，对伽玛射线暴的辐射和余晖辐射进行研究。还有中国“天眼” FAST（500米口径球面射电望远镜），可以从射电波段研究伽玛射线暴的研究辐射。

  

“慧眼”卫星（左），SVOM（右）（图片来自戴子高教授ppt）

 

中国“天眼”FAST（图片来自戴子高教授ppt）

 

要解决伽玛射线暴的问题，需要全世界的各个国家联合起来，观测家和理论家要密切交流合作。希望在不久的未来，人类可以对这个宇宙中最璀璨的烟花有一个更透彻的了解。