互动科普

1999年1月23日清晨，美国新墨西哥州的一台自动望远镜观测到北冕星座的一道微弱闪光。这原来是大名鼎鼎的伽玛射线暴(GRB)的又一次亮相。

BeppoSAX问世，对伽玛射线暴的研究前进了一大步。BeppoSAX是第一颗能够对伽玛射线暴精确定位并发现其X射线“余辉”的卫星。当伽玛射线信号消失以后，便会出现余辉。余辉将持续几天到数月不等，其强度随着时间的推移而逐渐减弱，最后从X射线变成能量较低的辐射，包括可见光和射频波等。虽然BeppoSAX卫星仅探测到长暴的余辉(短暴的余辉尚未被发现)，但它毕竟迈出了后继观测的第一步。有了BeppoSAX提供的位置信息，光学望远镜和射电望远镜便可以认定发生伽玛射线暴的星系。几乎所有这类星系均位于数十亿光年以外，这就意味着伽玛射线暴射出的能量之大必然十分骇人[见本刊1997年第10期J．Fishman与H．Hartmann所著《γ射线暴》一文]。极高的能量需要非同寻常的原因来解释，于是研究人员开始把伽玛射线暴同他们已知的宇宙中最不寻常的天体——黑洞——联系起来了。

BeppoSAX卫星精确定位的首批伽玛射线暴中，包括1997年5月8日发生的一次伽玛射线暴(因此被命名为GRB970508)。天文学家对它的余辉进行了射电观测，结果发现一条关键线索。其余辉在头3周内的强度毫无规律地波动，变化的幅度约为两倍，之后便稳定下来，接着就开始减弱。这样大幅度的变化或许同伽玛射线源本身并无关系；它多半与余辉光线穿过空间的传播有关。正如地球大气使得可见的星光看起来在不断闪烁一样，星际等离子体也使射频波闪烁。要使辐射源看起来在闪烁，它就必须非常小，而且距地球十分遥远，这样在我们看来它就仅是一个点。行星不会闪烁，因为如果它们距地球相当近，呈现出的图像就是圆盘而不是点。

因此，如果GRB970508在射电波段上出现闪烁，随后又停止闪烁，那就意味着它的辐射源必定已经从1个点增大为可辨别的圆盘。这里“可辨别”一词意味着圆盘的直径必须为几光周。要达到这样的尺度，该辐射源必须以非常高的速率(接近光速)膨胀。

BeppoSAX卫星的观测及后继观测使天文学家对伽玛射线暴的看法有了很大转变。以前人们认为伽玛射线暴就是能量集中在短短几秒内突然释放出来的过程，现在这一观点被抛弃了。事实上，现在人们意识到甚至连“余辉”这个术语也是误导人的：伽玛射线暴的两个阶段辐射出的能量基本相仿，而非相差悬殊。余辉的光谱特征显示出它是电子以光速或极其接近光速的速度在磁场中运动时所发出的辐射。

1999年1月的伽玛射线暴GRB-990123展示了骇人的威力。如果它的能量向各个方向均匀辐射，它的亮度必将达到1045瓦的好几倍，相当于太阳亮度的1019倍。另外一种众所周知的宇宙灾变事件——超新星爆发——释出的能量也几乎达到伽玛射线暴的水平，但它的能量大部分以中微子的形式逸出，而剩余能量的散发速率则比伽玛射线暴平缓。因而在任一给定时刻超新星的亮度不过是伽玛射线暴亮度的一个零头而已。甚至以亮度大著称的类星体，其亮度也仅有1040瓦左右。

如果伽玛射线暴是朝着某些特定的方向而非各方向辐射它的能量，那么它的亮度估计值就会低一些。GRB990123等伽玛射线暴的余辉随着时间的推移而变弱的过程，为我们提供了这种成束辐射的证据。GRB990123爆发后两天，它变弱的速率突然有所增加；如果观察到的辐射来自一个速度接近光速的狭窄的物质喷流，那么这种加速变弱的现象就是合情合理的了。由于相对论效应，随着喷流速度的放慢，观察者将看到越来越多的喷流。到一定时候，看到的喷流不再增加，而伽玛射线暴的亮度则开始下降得更迅速。对于GRB990123及其他几次伽玛射线暴，研究人员推断其喷流开口角为几度。仅当喷流的方向恰好与我们的视线一致时，我们才能看到伽玛射线暴。这种成束效应降低了伽玛射线暴辐射出的总能量，此时总能量的下降大致与喷流开口角的平方成比例。例如，假定喷流张开的角度为10度，那么它将覆盖整个天空500分之一的面积，因此所需的能量也降至原先估计值的500分之一。此外，每观察到一个伽玛射线暴，就有另外499个伽玛射线暴因无法看见而遗漏掉。即使考虑成束效应，GRB990123的亮度仍达到1043瓦，依然是一个骇人听闻的数字。

伽玛射线暴与超新星

伽玛射线暴与超新星的关系，是伽玛射线暴观测中最令人感兴趣的发现之一。望远镜在开始观测伽玛射线暴GRB980425时，发现了一个差不多同时爆发的超新星(命名为SN1998bW)。如果伽玛射线暴与超新星的同时出现纯属巧合，那么这类事件发生的几率只有万分之一。

在若干伽玛射线暴的X射线光谱中探测到了铁的踪迹，这一发现也提示伽玛射线暴和超新星存在着某种联系。天文学家已经知道，铁原子是在超新星爆炸的过程中合成出来并被抛到星际空间中的。如果这些铁原子失去其外层电子，随后又再次获得电子，那么它们将发射具有特征波长的光(称为发射光谱)。1997年BeppoSAX卫星和日本的X射线卫星ASCA最初探测到了这种谱线，但并未确认，后来天文学家进行了更可靠的测量。值得注意的是，美国航空航天局的钱德拉X射线卫星探测到伽玛射线暴BRG991216发射的铁谱线，从而直接测定了这个伽玛射线暴的距离。这一结果与GRB991216所在星系的估计距离不谋而合。

其他一些观测进一步证实了伽玛射线暴与超新星之间确有联系。天文学家在伽玛射线暴GRB990705的X射线光谱中发现了铁的吸收谱线。欧洲空间局的X射线多镜卫星在另一次伽玛射线暴GRB011211周围的气体包层中找到了硅、硫、氩及其他元素的发射谱线的证据，而这些元素通常是超新星产生并抛射出来的。

一个日益壮大的天文学派认为，在某些情况下，同一天体可能既产生伽玛射线暴，又引发超新星爆炸，但天文学家对这个问题仍然存在争议。由于伽玛射线暴比超新星罕见得多——每天只有一两次伽玛射线暴出现在宇宙的某个地方，然而超新星爆发的事件则达数十万起之多，因而并不是每一次超新星爆发都与伽玛射线暴有关系。不过某些超新星爆发或许能同伽玛射线暴挂钩。关于这方面的构想，目前提出的一种方案认为，超新星爆发有时会抛出物质喷流，从而引起伽玛射线暴。在多数这类情况下，天文学家要么观察到超新星爆发，要么观察到伽玛射线暴，但不会同时观察到两者。如果物质喷流指向地球，那么伽玛射线暴发出的光将把超新星发出的光完全掩盖，因此我们只能观察到伽玛射线暴；而如果物质喷流指向另一个方向，那么我们就只能看到超新星。然而，在某些情况下，物质喷流的方向可能只稍稍偏离我们的视线，从而使观察者能够将两道天文美景俱收眼底。伽玛射线暴GRB980425或许能用这种方向上的轻微偏离来解释。

上述假说认为绝大多数甚至全部伽玛射线暴均与超新星有关，而另一个大同小异的假说则仅将一部分伽玛射线暴归因于超新星。BATSE所观察到的伽玛射线暴有大约90％构成了特有的一种类型，其特点是亮度极低，光谱滞后较长，这意味着它们的高能伽玛射线脉冲和低能伽玛射线脉冲到达的时间相差几秒。无人知道这两类脉冲不同步的原因。但不管原因是什么，这些奇异的伽玛射线暴发生的频度与某种类型的超新星(称为Ib/c型)相同。当大质量恒星的内核爆炸时，此类超新星便诞生了。

大火球

即使暂且不论伽玛射线暴的能量如何产生，它们极大的亮度也是一个难解之谜。伽玛射线暴的亮度变化很快，这意味着它们的辐射是从一个很小的区域发出的：相当于10个太阳的亮度来自于只有一个太阳那么大的区域。如此之强的辐射从这样小的区域中发出，光子的密度必定非常大，以致它们彼此间的相互作用将使它们都无法从这一区域中逸出。这就好比一大群慌乱的人奔向出口想夺门而出，结果是你推我挤谁也出不去一样。然而，如果伽玛射线无法逸出，我们又如何会看到伽玛射线暴呢?

天文学家在过去几年中逐渐摸索到了这个难题的答案，奥秘就在于伽玛射线不是马上就发射出来的。爆炸释放的初始能量存储在一个运动速度接近光速的粒子壳层(火球)的动能中。此壳层内的粒子既有光子，也有电子及其反粒子(正电子)。当火球膨胀到直径达1百亿至1千亿公里时，光子密度的下降使得伽玛射线得以顺利逸出。然后火球就将其部分动能转化为电磁辐射，从而产生伽玛射线暴。

伽玛射线的初始发射极有可能应当归功于膨胀火球的内部激波。当火球的膨胀物质中运动速度较快的部分追上前面运动较慢的部分时，激波就形成了。由于火球的膨胀速度非常接近光速，因此，根据相对论原理，外部观察者观察的时间尺度就被大大压缩了——尽管伽玛射线暴的产生可能持续了一天，但外部观测者看到的却是它仅仅持续了几秒钟。火球继续膨胀，最终将遇到围绕火球的气体并吞并它们。这样就在火球与外部介质的边界处形成了又一轮激波，此激波随着火球运动速度的逐渐放慢而持续下去。这一激波圆满地解释了伽玛射线暴的余辉辐射，同时也说明了余辉为什么会逐渐从伽玛射线变成X射线，继而变成可见光，最后变成射频波。

虽然火球能够把爆炸能量转化为观测到的辐射，但开始时的爆炸能量又是靠什么产生的呢?这是另外一个问题了，天文学家对此尚未取得一致看法。有一类模型——高超新星(hypernovae)或坍缩星(Cokllapsar)模型——认为初始能量与诞生时质量大于20到30个太阳质量的恒星有关。模拟表明，这样一颗恒星的中央内核最终将坍缩，形成一个迅速旋转的黑洞，而黑洞则被剩余物质组成的盘包绕着。

第二类模型则认为由两个致密天体组成的双星系统是伽玛射线暴初始能量的来源。两个致密天体可以是一对中子星(密度极高的恒星遗骸)，也可以是一颗中子星加一个黑洞。这两个天体沿着螺旋形轨道互相接近，最终合二为一。同高超新星模型一样，此过程的最终结果也是形成一个有盘包绕的黑洞。

许多天文现象都与黑洞—盘的组合结构有关。这类系统的特殊性在于盘的质量极大(因而得以释放非常多的能量)，而且不存在一颗伴星向盘源源不断地输送物质(这就意味着能量的释放是一次性的过程)。黑洞和盘通过两种形式储存了巨大的能量，一是盘的引力能量，一是黑洞的旋转能量。天文学家尚未完全搞清楚这两种能量究竟是如何转化为伽玛射线辐射的。一种可能性是，在盘的形成过程中一个强度高达地球磁场10倍的磁场逐渐产生。此磁场在生成时将盘加热到极高的温度，释出一个充满伽玛射线和等离子体的巨大火球。这一火球又逐渐扩展成两股沿着旋转轴方向射出的狭窄喷流。

高超新星和致密天体合并这两种假说，在解释伽玛射线暴发射时的效果难分伯仲，因此，为了对这两种假说进行取舍，天文学家需要考察伽玛射线暴的另外一些特征。例如，伽玛射线暴与超新星之间的关联就是对高超新星假说十分有利的一点，因为高超新星实际上就是巨大的超新星。此外，伽玛射线暴出现的地方，通常也正是高超新星应该亮相的地方，也就是星系内新近发生恒星形成的区域。大质量恒星在诞生之后不久(约数百万年后)就会爆炸，因此它的死亡之地离它的诞生之地相当近。而致密天体的合并则需要长得多的时间(数十亿年)，在这一过程中它们将在星系内四处游荡。如果致密天体是伽玛射线暴的来源，那么伽玛射线暴就不应当集中出现在恒星形成区域。

虽然高超新星假说可能解释绝大多数伽玛射线暴，但致密天体合并仍然可能在有关伽玛射线暴的众多理论中占据一席之地。这一机制可以解释目前人们知之甚少的一类持续时间很短的伽玛射线暴。此外，其他一些伽玛射线暴的模型也仍然有望取得成功。其中一个模型提出，火球是通过从带电黑洞中提取能量而形成的。此模型认为伽玛射线暴的直接辐射和余辉辐射均是火球吞并外部物质的结果。天文学家对伽玛射线暴的认识已经取得了很大成绩，但他们仍然不知道究竟是什么原因引发了这些爆炸，而对于伽玛射线暴的多样性及其亚类的了解更是少得可怜。

上述所有的近期发现证明了关于伽玛射线暴的研究或许能回答天文学中某些最根本的问题：恒星的生命是如何终结的？黑洞是如何以及在何处形成的？坍缩天体向外喷流的本质是什么？

来自往昔的爆炸

一个悬而未决的问题涉及到所谓“暗”伽玛射线暴。在已确定位置、并且对伽玛射线以外的其他波段进行过研究的大约30个伽玛射线暴中，90％左右的伽玛射线暴均已在X射线波段上被观测到。而在可见光波段上被观测到的伽玛射线暴只占大约50％。这就产生了一个问题：为何部分伽玛射线暴似乎不发射可见光呢?

一种解释是，这些伽玛射线暴位于恒星形成区域，而这类区域通常密布尘埃。密集的尘埃将遮住可见光，但遮不住X射线。还有一种有趣的可能性是这些暗伽玛射线暴正好是距离地球极为遥远的伽玛辐射源，因此它们产生的相关波段可见光被星系际气体吸收掉了。为了检验这一假说，利用X射线谱来测定距离将起着关键的作用。第三种可能则是这类暗伽玛射线暴原本就属于光学暗淡的辐射源。目前的证据有利于尘埃假说。高灵敏度的光学与射电探测已认定两个暗伽玛射线暴可能栖身的星系，而这两个星系距地球均不是很远。

另一个未解之谜涉及到一类名为“富X射线伽玛射线暴”——有时干脆就称为“X射线闪光”——的事件。这类伽玛射线暴是Beppo SAX卫星发现的，而随后对BATSE数据进行的再分析也证实了这一发现。我们现已知道它们在全部伽玛射线暴中所占的比例为20％~30％。它们发射的X射线辐射超过了伽玛射线辐射。事实上，在极端情况下，它们的伽玛射线辐射微弱得根本无法探测到。

对此现象的一种解释是，发射伽玛射线暴的火球中重子物质(如质子)的含量相对较多，使火球变成了一个“脏火球”。这类粒子增大了火球的惯性，因此火球的运动速度较慢，很难把光子的能量提高到伽玛射线波段。还有一种可能性是这些X射线闪光或许来自非常遥远的星系——远到甚至超过天文学家用来解释暗伽玛射线暴的那些星系。在这种情况下，宇宙膨胀将使伽玛射线变成X射线，而星系际气体则将挡住可见的余辉。事实上，所有这些X射线闪光在可见光波段上全都探测不到，这一发现也与上述假说吻合。如果X射线闪光或暗伽玛射线暴位于极其遥远的星系中，它们可能揭示宇宙历史上一个用其他手段几乎看不见的时代。

伽玛射线暴天文学发展的下一步是更新和充实有关数据，使我们对伽玛射线暴的发生及其余辉和宿主星系的特性有更多的了解。观察人员需要测量成百上千的伽玛射线暴，覆盖伽玛射线暴的所有各种类型，包括持续时间较长及较短的伽玛射线暴，明亮与暗弱的伽玛射线暴，辐射成分主要为伽玛射线或主要为X射线的伽玛射线暴，以及有可见光余辉或没有可见光余辉的伽玛射线暴。当前天文学家正在从2000年10月发射的第二颗高能瞬态事件探测者卫星(High Energy Transient Explorer)以及行星际网络系统(Inter—planetary Network)——该系统由各种行星探测器携带的一系列小型伽玛射线仪组成——源源不断地获取有关伽玛射线暴位置的数据。定于2003年秋发射升空的Swift空间探测仪将对数以百计的伽玛射线暴及其余辉进行多波长观测。在发现一个伽玛射线暴后，这台伽玛射线探测仪将自动开始用它携载的仪器进行X射线和可见光波段的观测。此仪器的响应十分迅速，很快就能确定新发现的伽玛射线暴是否发射X射线或者是否有可见的余辉。Swift对至今研究甚少的短暴高度灵敏。

探测超强的伽玛射线能量是天文学家的另一个目标。例如，康普顿伽玛射线卫星上搭载的高能伽玛射线实验望远镜(Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope)观测到，GRB940217在爆发之后，发射高能伽玛射线的时间持续达1个小时以上。天文学家不知道持续时间如此之长、能量如此之高的余辉是如何产生的。意大利空间局定于2004年发射的AGILE卫星将在这些高能波段上观测伽玛射线暴。预计在2006年发射的超灵敏伽玛射线大面积空间望远镜(Gamnnay—Ray Large Area Space Telescope)也将为研究这一神秘的现象提供关键线索。

其他一些空间探测器虽然不是专为发现伽玛射线暴而设计的，但它们也将为这方面的研究助一臂之力。2002年10月17日发射的国际伽玛射线天体物理学实验室(Inter-national Gamma—Ray Astro physics Laboratory)每年可望探测到10至20个伽玛射线暴。计划在10年后发射的高能X射线成像巡天望远镜(Energetic X-ray Imaging Survey Telescope)将携带一台灵敏的伽玛射线仪，这台仪器可以探测到数以千计的伽玛射线暴。

这个领域刚刚取得了连续几年的突破性进展，发现伽玛射线暴原来是宇宙中到处都在发生的巨大爆炸。辐射的爆发为我们提供了诱人的大好机遇，使我们能够研究新的物理状态并窥探宇宙在最早的恒星形成时代的真面目。凭借未来若干年中在空间和地面进行的观测，我们将能够洞悉这些骇人的宇宙怪兽的本质，了解它们各方面的细节。天文学家再也不会说伽玛射线暴是十足的难解之谜了，但这并不意味着谜底已完全揭开。