互动科普

西拉的新技术望远镜对同一区域进行了长期仔细的观察，辨别出一个弥散的、不规则的辉光.后来哈勃太空望远镜将这一辉光分解成由一个多少呈延长状的背景天体所围绕的一个亮点，我们中的很多人都认为此背景天体是一个星系，但是到本文撰写时为止仍然无法确知其可靠的证认结果。

如果它确实是星系——如同现有的理论所认为的那样一一那它肯定很遥远，接近可观测宇宙的外缘。在此情况下，y射线爆肯定是宇宙中威力最大的爆炸。

推翻理论预期

对于我们中那些正在研究，射线爆的人来说，这一发现消除了两个新近的创伤，1888年月，装有给y射线爆准确定位的仪器的高能瞬态探测者(HETE}飞船未能与其发射火箭分离而失败，此后在12月份俄罗斯的Mars' 96宇宙飞船(装有几个y射线探测器)在火箭失灵后坠入太平洋。这些仪器只是用于研究，射线爆成因的精心设计的装置的一部分，较新的装有y射线仪器的卫星，只有Beppo-SAX于1996年4月20日升空，研制该卫星的主要科学家有Luigi Piro,Enrico Costa和John Heisee。

y射线爆是在本世纪六十年代晚期由美国国防部发射的Vela系列航天器首次偶然发现的，这些卫星设计来刺探苏联在外层空间(很可能是隐藏在月球后面)的秘密核爆炸，但它们却遇到了一些不是产生于地球附近的一阵阵的突发辐射。1973年科学家们作出结论，一种新的天文现象被发现了.

这些最初的观测结果产生了对y射线爆的起源——包括黑洞、超新星或称为中子星的致密暗星残余——的一阵推测之风。当时(现在仍然)有一些关键之处不清楚。过去没有人知道这些，射线爆是来自于仅有一百光年远还是几十亿光年远的区域，因此，这些初始事件的能量还只是猜测的。

到本世纪八十年代中期，一致的意见是，这些爆发起源于银河系内的近邻中子星，尤其是理论工作者对某些y射线爆的光谱(当光通过棱镜后展现出的波长组成)暗线产生了兴趣，这表明有强磁场存在。他们推测，射线是中子星的磁力线重连时加速到相对论性速度的电子发出的，太阳上也产生类似的现象——但能量低得多——导致出现耀斑。

1991年4月亚特兰蒂斯号航天飞机释放出Compton(康普顿) y射线天文台，它是一个进行爆发和瞬态源实验(BATSE)的卫星。一年之内BATSE就推翻了所有的预期。〕，y射线爆的分布并未勾划出银河系的轮廓。也与近邻的星系或星系团无关。它们的分布是各向同性的，即在天空中的任何方向上几乎都有相同数目的y射线爆。理论工作随即修改了星系模型：y射线现在被认为是来自于围绕银河系的延伸球形晕内的中子星。

这一模型所遇到的一个问题是地球位于银河系的边缘，距其核心大约有30000光年远。为了使我们自己位于靠近银晕的中心处，则银晕一定要很大才行，其外径差不多要有6000000光年。如果是这样的话，近邻的仙女星系的星系晕就会有着同样的延伸，并应在y射线爆的分布上开始表现出来。但是情况并不是如此。(然而，中子星光束方向与其运动方向一致的特殊模型可以消除这一反对意见。)

上述均匀性使大多数天文物理学家相信y射线爆来自于大约为34亿光年到100亿光年的宇宙距离。然而，在这样的距离处爆发应表现出宇宙膨胀的影响。遥远的星系以很快的速度远离地球运行;由于它们发出的光的频率移动到较低(即较红)的频率，所以我们得知星系在退行。同样，y射线爆也应表现出一种“红移”以及持续时间的增大。

遗憾的是，BATSE在y射线谱中并没有观测到表现特征元素的亮线或暗线，这些谱线的移动将会显示出向红端的移位。(而且它也没有检测出较早的卫星所发现的暗线。)天文学家在四月份用夏威夷的凯克望远镜得到了一个GRB970228余辉的光谱。光谱很平滑而且是红的，没有特征谱线。国家航空航天局(NASA)戈达德空间飞行中的Jay Norri，和亨茨维尔亚拉巴马大学的Robert  Malloazi对观测到的爆发进行了统计分析并报道说，最弱的因而也是最远的爆发会同时显示出时间延长和红移。然而，还可以用其它的(有争论的)方式来解释这些发现。

一次宇宙大灾难

有一个特征使得解释这些爆发变得很困难，这就是爆发的巨大多样性。一次爆发可以从大约30毫秒持续到差不多1000秒——有一个事例还持续到1.6小时。某些爆发还表现为一阵阵的强辐射，在两次辐射阵发之问没有可察觉的y辐射，而其它辐射都很平滑，y能谱也很复杂一一能谱实际上就是辐射的颜色。尽管这些颜色是看不见的。爆发能量大部份是从十万到一百万电子福特之间的辐射，这表明存在一个极端炽热的源。(来自太阳的主要辐射，即光的光子只有几个电子伏特的能量。)某些爆发随着时间的推移其频率很平稳地过渡到较低的值，例如过渡为X射线。尽管这种X射线尾的能量较小，但是它含有许多光子。

如果爆发起源于宇宙距离处，那么它一定具有可能达1051尔格的能量。(大约1000尔格就可以把一克物质举高一厘米。)这个能量必须在几秒钟之内从一个大小为几十公里的微小空间区域内辐射出去。看来好象我们遇到了一个火球。

第一个挑战是要设想一个可以产生足够多能量的火球的环境，大多数理论工作者倾向于一个双中子星系统坍缩的模型〔见Tavi Piran所著“双中子星”一文；《科学》杂志1995年第九期〕。这样一个双星系统以辐射的形式释放引力能.结果，两颗中子星彼此相向盘旋最终可能合并形成一个黑洞。一些理论模型估计在一个星系中大约每隔一万年到一百万年就要发生一次这样的事件。BATSE观测到的宇宙空间体积内大约有100亿个星系；这样在空中一年要发生1000次爆发，此数值符合观测结果。

此模型的一些变种涉及到一个中子星，一个普通恒星或一个白矮星与一个黑洞碰撞。这些合并的详细过程是今天紧张研究工作的焦点。然而，理论工作者认为在两个中子星坍缩为一个黑洞之前，它们死亡的痛苦会释放出多达1068尔格的能量。这一能量以中微子和反中微子的形式出现，而中微子和反中微子又一定会以某种方式转化成y射线。这需要有一系列的事件：中微子和反中微子碰撞产生电子和正电子，然后电子和正电子互相湮灭形成光子。遗憾的是，这一过程的效率非常之低，而最新的模拟表明它不可能产生足够多的光子。

更糟的是，如果在火球中象质子这样的重粒子太多，那么它们就会使下射线的能量降低。这样的质子污染是可以预料到的，因为两个中子星相撞必然会产生粒子的大杂烩。而且，之后所有的能量都最终体现为质子的动能，不会留下辐射。宾夕法尼亚州立大学的Peter Mesaa-rso和剑桥大学的Martin J,Reea提出了一个走出困境的办法，他们认为当膨胀火球——基本上是炽热的质子——遇到周围的气体时，它就会产生冲击波。在这种波中被强烈电磁场加速的电子随后就会发出Y射线。

这个模型的一种变型涉及到内部冲击，当火球的不同部分以相对论性速度互相碰撞时就会产生内部冲击，这种冲击也会产生y射线。两种冲击模型都表明y射线爆发之后应紧接着出现X射线和可见光的长期余辉。罗马天文台的Mario Vietri还特别预言可检测的X射线余辉持续一个月——而且他还指出这种余辉不会在晕模型中出现。GRB970228也提供了这种尾随现象的最强有力的证据。然而，还有一些问题。双星坍缩无法解释某些持续时间长的爆发。例如，BATSE去年发现了一次持续了1100秒的爆发并且在两天之后可能又重复了一次。

还有别的方式可以产生所需要的y射线。在海法的以色列理工学院的Nir  Shaviv和Arnon Dar着手研究一个不知成因的富含重金属的火球。铁或镍的炽热离子可以与近邻恒星中发出的辐射相互作用从而释放出Y射线。模拟结果显示所产生Y射线爆的时间剖面与观测结果非常接近，但是完全由重金属组成的火球似乎并不现实。

另一种流行的机制是求助于功率极大的引擎，就象在星系核心内剧烈搅动的发电机一样。理论工作者想象，除了火球之外，两个恒星的合并——无论是哪种类型的恒星——也可以形成一个由厚厚的旋转碎片盘围绕着的黑洞。这个盘的存在时间很短，但是其内部的磁场令人惊奇，约为地球磁场的1016倍。与一个普通的发电机相类似，这些磁场可以从系统中吸取旋转的能量，并将能量引导人沿自转轴喷出的两个喷流中。

这些喷流的核心——也就是离自转轴最近的地方——不会有质子污染。喷流内的相对论性电子就会产生一个强烈聚焦的y射线脉冲，尽管还有不少细节问题仍未弄清，但是许多这类模型表明恒星合并是解释y射线爆的主要竞争者。

迄今为止，关于y射线爆的论文已经超过了2500篇一一大约每记录一次爆发就会有一篇文章发表。这些爆发的时间短暂使其很难用多种仪器来观测，而得到的数据太少又导致众多理论的出现。

如果这些卫星之一检测到一次透镜状爆发，那么天文学家就会确切知道爆发发生在宇宙距离处。如果一个中间星系或其它大质量天体作为引力透镜将一次y射线爆发出的射线弯曲朝向地球，那么就会发生这种情况。当一个遥远恒星的光以这种方式聚焦时，它就表现为这个原始恒星的多重图象，围绕这一透镜呈弧形排列。Y射线不能如此精确地定位，它们目前只能用方向分辨率较差的仪器来检测。

而且y射线爆并不是象恒星那样稳定的源。一个透镜状y射线爆因此表现为差不多来自同一方向的两个爆，两个爆都有相似的能谱和时间剖面。但是其强度和到达的时间不同。时间不同是因为射线在通过透镜时所穿越的弯曲路径的长度不同。

为了进一步弄清楚基础爆发的成因。我们需要伴随一次y射线爆的其它类型辐射的数据。能证认出爆发源则更好，在偶然地观测到GRB970228之前——我们很惊奇它的余辉持续时间长到足以让人看见——这种“对应物”表明是非常难以捉摸的。为了找到其它的爆发源，我们需要很精确地对y射线爆定位。

观测和等待

自从本世纪七十年代初以来，伯克利加利福尼亚大学的Kevin Hurley和NASA戈达德空间飞行中心的Thomas Cline一直在为建立探测y射线爆仪器的“行星际网络”而进行工作。他们试图在可利用的任何一个航天器上安放一个y射线探测器或者将专用装置发送升空。其意图是通过比较y射线爆到达相距有很大距离的航天器的时间来得出误差在几弧分之内爆发源的位置。

年复一年，取决于参加的仪器的数目和它们的相隔距离，该网络在功效上有很大的变化。目前它有五个组成部分:BATSE , Beppo-SAX和军事卫星DMSP，它们都离地球很近；Ulvsses.在太阳系平面之上很远:以及围绕太阳运行的航天器W ind。从Beppo-SAX . Ulysses和Wind上得到的数据已用于对GRB970228进行三角测量。(BATSE在那时位于地球的阴影内。)遗憾的是，这一过程很慢——最快都要8小时。

  如果找们要在爆发正在进行时把形形色色的仪器对准爆发，那么时间就很关键。位于NASA戈达德空间飞行中心的大学太空研究协会的Scott Barchelmy开发出一个被称作BACODINE(BAtse COordinates Distribution NEtwork，即BATSE坐标分布网络)的系统来将BATSE的有关y射线爆位置的数据在几秒钟之内传输到地基望远镜。

BATSE由八个从康普顿卫星的八个角落指向不同方向的，射线探测器组成；比较这些探测器测得的一次爆发的强度就可给出爆发的位置，误差大约为几度而且在几秒钟的时间内完成:通常BACODINE甚至在爆发正在进行时就可以确定其位置。其位置通过互联网传送到世界范围内的几十个网点。在5秒多钟的时间内，劳伦斯˖利弗莫尔国家实验室的自控望远镜，以及其它地方的仪器就会看到爆发的位置。

遗憾的是，只有移动很快的、较小的望远镜才能对这种尝试有用，而这种望远镜可能错过模糊的图象。例如。利弗莫尔的设备就无法看到GRB970228的余辉(除非紧接爆发之后的光辐射亮许多倍，正如某些理论工作者认为的那样)。需要灵敏度高出100倍的望远镜。这些中等大小的望远镜还要求有自动控制以便使它们能很快地旋转，并且使其能搜寻尽可能大的区域。如果它们确实发现了一次短暂的余辉，那么它们就能很好地确定其位置，使大得多的望远镜〔如哈勃望远镜和凯克望远镜)能观测到相对应的部分。

GRB970228之后持续时间长的模糊余辉给这一对策带来了新的希望。由麻省理工学院的George Ricker领导的HETE飞行任务要在大约两年时间内才能重新建造和发射。它将用X射线探测器搜索整个天空这些探测器能对爆发定位，其误差小于几弧分。一个由若干地基光学望远镜组成的网络可以立即接收到这些位置并开始对这些瞬态源进行搜索。

当然，我们还并不知道实际上显示出可观测的余辉的爆发占多大的比例；GRB970228可能是一个罕见而偶然的例外。而且，即使观测区域小到几弧分，也会含有许多模糊天体使其很难搜寻到相应的部分。如果我们能从y射线本身在不到一秒的时间内得到其准确的位置，那将是了不起的事情。天文学家已经建议采用一些新型的y射线望远镜，这些望远镜可以即时得出一次爆发的位置误差在几弧秒之内。

为了更进一步地限制各模型，我们需要观测频率比现在观测到的更高和更低的辐射。也是安装在康普顿卫星上的高能y射线实验望远镜((EGRET)就观测到许多发出辐射达100亿电子伏特的爆发，有些爆发还持续几小时。由一个国际科学家小组正在开发的卫星，即y射线大面积太空望远镜(GLAST)得到的上述能量范围内的更精确的数据将大大帮助理论工作者。而能量更高的光子功二约有一万亿电子伏特——可能要特殊的地基y射线望远镜才能拍摄到，在光谱的另一端，其能量大约达一千电子伏特((1keV)的软y射线，有助于检验爆发模型，也有助于更好地确定其位置。在0.1KeV到10KeV的范围内，有发现吸收线和发射线的很好机会，这些谱线能说明基础火球的体积及其磁场。这些谱线还可给出红移的直接测定值从而知道其距离。用于检测软X射线的灵敏仪器正在全世界的不同机构中制造。

就在我们结束这篇文章时，我们才刚刚得知另一次成功。在5月8日的晚上，Beppo- SAX的操作人员定位了一次持续15秒的爆发。不久以后，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的Howard  E,Bond在基特峰天文台用0.9米光学望远镜拍摄了爆发区的照片;第二天晚上这一区域的一个光点明显变亮。其它的望远镜也证实在5月10日光点达到最亮之后，爆发源才开始减弱。这是第一次观测到一次爆发达到其光学峰值——而且令人惊奇的是，光学峰滞后于y射线峰达几天的时间。

同样也是第一次,5月13日新墨西哥州的甚大阵列射电望远镜从爆发残余物中检测到射电辐射。更为激动人心的是，5月11日用夏威夷凯克Ⅱ型望远镜拍摄的这次爆发的基本上是蓝色的光谱显示出一些暗线，显然是由中间云块中的铁和镁引起的。加州理工学院的天文学家发现，这些吸收线的位移情况表明爆发源的距离超过70亿光年。如果这一解释站得住脚，它将一劳永逸地证明爆发发生在宇宙距离处。

情况既如上述，可能在不太长的时间内我们就会弄清是什么灾难性事件引起了这次爆发——甚至当你们读到本文的时候它还可能是仍在天空中照耀的一次爆发。

〔湛 虹 译 郭凯声 校〕