互动科普

2008年春天，科学家将开启一扇神奇的新窗口来观察宇宙。美国国家航空航天局（NASA）计划发射伽马射线大视场空间望远镜（Gamma-ray Large Area Space Telescope，以下简称GLAST），用来探测宇宙中的极端环境，比如那些超大质量黑洞及中子星周围的环境，这些天体能够产生强大的高能伽马射线辐射。几乎同时，位于瑞士日内瓦附近欧洲原子能研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，以下简称LHC）也将开始运转，在微观尺度上，为我们提供有关大自然基本构件及其相互作用的前所未见的图像。GLAST也许会和LHC一样，探索同样一些微观现象，向我们展示这些过程在宇宙自然环境中发挥的作用。如此激动人心的革新时代，在科学史上也是罕见的。

伽马射线是一种电磁辐射，在电磁波能谱中能量最高、波长最短。每个伽马射线光子都携带着巨大的能量，比可见光光子甚至X射线光子的能量都大得多，其中部分能量甚至可以被转化为物质粒子，就像爱因斯坦著名的质能关系方程E = mc2所暗示的那样。

在伽马射线波段，天空与我们平时所熟悉的模样大不一样，那里令人惊讶地密布着不断变幻的天体。肉眼看起来安详宁静的夜空，在伽马射线波段却喧闹不已：有正以接近光速向外抛射物质的超大质量黑洞，有大质量恒星的爆发和爆发后留下的闪闪发亮的余辉，有携带强大磁场的超致密中子星，还有被称为宇宙线（cosmic ray）的高能带电粒子相互碰撞产生的星系高能辐射。宇宙伽马射线还可能来源于奇异粒子的相互湮灭，正是这些奇异粒子构成了神秘的暗物质。LHC将在实验室里尝试产生这些奇异粒子。

已故物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison，曾经担任《科学美国人》的专栏作家）在1958年发表了一篇开创性的文章，预言了伽马射线天文学的诞生。他指出，包括星光在内的可见光，其实都是次级辐射的产物，真正释放能量的是更加高能的物理过程，通常发生在原子核及亚原子核的尺度上。事实上，伽马射线辐射与隐藏在表象之下的真实天体物理过程的能量要接近得多。它天生就与极端物理环境联系在一起，不仅标明了那些环境出现的地点，还能将那里正在发生的物理过程的信息直接传递出来。

伽马射线通常可以轻而易举地跨越数十亿光年，畅通无阻地横贯绝大部分可观测宇宙，而地球的大气层却可以阻挡它们前进的脚步。伽马射线光子会在大气层中产生出大量能量较低的粒子，并把能量传递给这些粒子，后者则像雨点一样撒向地面。那些能量极高的伽马射线（用粒子物理学家的标准单位来衡量，就是能量超过100 GeV的伽马射线）能够在大气层中产生信号非常强劲的“粒子雨”，足以被专门设计的地面探测器发现。但是，要想观测低于这一能量级别的伽马光子，研究人员就必须将专用望远镜送入太空。

和大多数天体物理学研究一样，宇宙中大量存在的伽马射线辐射也有利有弊：同样的辐射，在某位研究者看来是有用的数据信号，在另一位研究人员眼中，可能就成了恼人的背景噪声。研究人员记录到一组数据之后，必须先把能够说明这组数据的传统天体物理学解释全部推翻，才能确定这是一种全新现象存在的证据。根据这一原则，一些更深层次的物理学问题，只有通过GLAST即将提供的观测数据，才能得到合理的回答。

从EGRET到GLAST

在研究宇宙高能物理过程时，不论是科学问题本身还是实验所需的技术，都要求粒子物理学家与天文学家共同参与。传统上截然不同的学科领域交叉在一起，是过去20年来物理学界的主要发展趋势之一（参见《环球科学》2007年第7期《当粒子遇上宇宙……》一文）。我们三个人见证了这一进程。阿特伍德和里茨拥有粒子物理学的学科背景，米切尔森则是一位天体物理学家，还是高能伽马射线试验望远镜（Energetic Gamma Ray Experiment Telescope，以下简称EGRET）研制小组成员。这台望远镜搭载在NASA的一颗伽马射线探测卫星——康普顿伽马射线天文台（Compton Gamma-Ray Observatory，以下简称CGRO）上发射升空。

大天区望远镜（Large Area Telescope，以下简称LAT）是GLAST上的主要设备，最初的设计灵感来源于1991年，米切尔森在美国能源部斯坦福线形加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，以下简称SLAC）举办的一场研讨会。米切尔森和阿特伍德后来跟新近成立的、由埃利奥特·布卢姆（Elliott Bloom）领导的SLAC粒子天体物理小组展开讨论，阿特伍德在讨论中提出了大天区望远镜设计的初步设想。他提议，把美国超级超导对撞机（Superconducting Super Collider）项目中开发出来的硅基粒子探测器，应用到伽马射线望远镜上。虽然超级超导对撞机计划搁浅，它的技术却在GLAST上得到了延续。

伽马暴监测仪（Burst Monitor）是GLAST上的另一个设备，由NASA马歇尔太空飞行中心的查尔斯·米根（Charles Meegan）领导的一个小组研制，负责在能量低于大天区望远镜能谱探测范围的能段内，监测天空中的伽马暴事件。GLAST项目是美国、法国、德国、意大利、日本、瑞典等多个国家的科学家、工程师及技术人员共同努力的结晶。

大天区望远镜能够探测的伽马射线，将比EGRET多出100多倍。它的视场与人眼相当，可以同时覆盖大约1/5的天空。在环绕地球运行的轨道上，GLAST只需大约3个小时，就能完成一次全天扫描。对于寻找暂现伽马射线源（transient gamma-ray source）来说，这种能力尤其重要，这种会发生瞬间变化的伽马射线源最早是由EGRET观察到的。只需要几天，GLAST就能找到EGRET需要几年时间才能探测出来的暂现伽马射线源。大天区望远镜和伽马暴监测仪联手，可以覆盖电磁波能谱的高能谱段，探测范围上限的能量比下限能量高出1,000万倍以上。

如此巨大的性能飞跃，使GLAST能够带来许多重要信息，让我们对产生强大伽马射线的超大质量黑洞和中子星的认识迈上一个新台阶。EGRET检测到的伽马射线源中有2/3无法确定身份，GLAST将扭转这一局面。这颗卫星或许还能发现一些超出粒子物理标准模型的现象，并为标准模型提供极端条件下的检验。以下列出的，就是GLAST有可能发现的一部分奇异现象。

1暗物质

自20世纪30年代以来，天文学家就知道宇宙中存在着许多肉眼无法看见的东西。星系在星系团中的运动速度，以及恒星在星系中的运动速度，都比科学家单单按照可见物质和引力方程预言出来的速度更快——这意味着，还存在着大量不可见的物质，对星系和恒星施加着引力影响。与此同时，物理学家也意识到，对粒子物理标准模型的扩展，或许能够告诉我们，这些不可见的物质是什么。目前最流行的一种扩展理论假设，自然界存在一种被称为超对称（supersymmetry）的性质，寻找超对称的证据正是LHC的首要目标之一。

在超对称模型中，暗物质粒子并非完全黑暗。尽管它们不与普通物质发生相互作用，也不怎么发光，但科学家认为它们拥有一个有趣的性质：它们是自身的反物质粒子。因此，两个暗物质粒子一旦相遇，就会相互湮灭，把自身的巨大质量转化为高能粒子——其中就包含了伽马射线。问题的难点在于，如何把暗物质粒子湮灭产生的辐射，与其他来源的类似辐射区分开来。我们对暗物质所知甚少，因此在估算这种辐射的强度和能量时，不确定性也非常大。

最简单的情况是，湮灭只产生两个伽马光子，它们的能量等同于暗物质粒子的质量。科学家现在认为，暗物质粒子的质量大约是几百个GeV。这种湮灭类似于正负电子对的湮灭，后者会产生特征能量为511 keV的伽马光子。当天文学家观察到511 keV的伽马射线时，他们就能肯定正电子参与了辐射过程。与此类似，如果天文学家在100 GeV附近观察到过量的伽马射线，他们也可以肯定有暗物质粒子参与其中。

尽管对这种信号的理论解释非常明确，但它强到足以被我们观测到的可能性却很小。暗物质粒子湮灭释放的大部分能量，将分布在一个很宽的能量范围之内。可惜的是，该能量范围内还有其他伽马辐射大量存在，比如宇宙线与星际气体及辐射场发生碰撞所产生的伽马射线。在这种情况下，捕捉暗物质信号就像在明亮的城市灯光下努力寻找星星一样。幸运的是，暗物质发出的伽马射线拥有不同的能谱，它们在天空中的分布也有特殊的模式。比如，它们应该聚集在星系中心附近。这些性质能够帮助天文学家检测到这些信号。

GLAST的观测数据将与同时期的粒子物理实验结果巧妙结合起来。LHC也许将产生新的粒子，测量它们的质量，并确定它们与其他粒子相互作用的强度。这些粒子将成为暗物质粒子的候选者。然后，GLAST就能确定这些新发现的粒子在宇宙中所扮演的角色。所有这些粒子都会迅速逃离加速器，物理学家根本来不及测量它们是否稳定。因此在确定这些粒子能否长期存在，可否担当暗物质角色方面，GLAST的数据将起到决定性作用。GLAST还将与那些直接探测暗物质的计划通力合作，那些计划试图在暗物质穿过地球时找出它们的蛛丝马迹。

2微型黑洞

现代物理的两大理论基石：狭义相对论与量子力学，已经被紧密地联系在一起，但广义相对论仍然特立独行——把引力纳入统一的理论体系还是一件尚未完成的工作。20世纪70年代，英国剑桥大学的霍金（Stephen Hawking）及其同事通过理论推导，提出了一个著名的预言：能量的量子涨落与引力结合在一起，意味着黑洞并不稳定。黑洞会向外辐射粒子，这个过程被称为黑洞蒸发。随着黑洞的缩小，辐射出来的能量反而会增大，这种“恶性循环”最终会导致一场壮观的爆炸。

黑洞的蒸发过程异常缓慢，因此大黑洞不会受到显著影响。但是，如果宇宙早期环境有利于黑洞的诞生，那么一些黑洞的体型就有可能足够小，能够在今天发生爆炸。虽然最小的黑洞可能早已蒸发殆尽，但那些质量约为1012千克（相当于一颗小行星）的小黑洞可以维持大约140亿年的寿命。因此，如果宇宙早期确实产生了这样的小黑洞（其实许多理论学家对此持怀疑态度），GLAST就有机会观察到这样的黑洞蒸发事件，将量子力学与引力理论也紧密地联系在一起。

3额外的空间维度

对大统一理论的探寻让一些物理学家提出了这样的设想：我们的三维宇宙其实镶嵌在一个维数更高的空间之中。一部分理论认为，我们之所以看不到额外的空间维度，是因为物质和引力以外的其他相互作用（比如电磁相互作用），都被局限在我们熟悉的这三个维度之中（参见《环球科学》2007年第12期《探寻多重宇宙的证据》一文）。不过，引力不受这样的限制。传递引力的引力子（graviton）拥有能够在更高维空间中传播的“同胞兄弟”，它们被称为卡卢察－克莱因引力子（Kaluza-Klein graviton）。

如果额外维度尺度够大，它们就会显著改变引力的特性，让GLAST能够探测到（也许LHC也可以探测出来）。超新星爆炸可以将一部分能量传递给奇异引力子，后者又会继续衰变成其他粒子，特别是伽马射线。EGRET进行过这样的尝试，不过一无所获。物理学家据此得出结论：超新星爆发过程注给卡卢察－克莱因引力子的能量，不会超过1%。GLAST的灵敏度要高得多，可以看到衰变产生的更多伽马射线，最起码可以排除一部分与观测不符的高维空间理论。

4超越狭义相对论

真空中光速不变，是狭义相对论的基本假设之一。不论是波长较短的高能光子，还是波长较长的低能光子，都应该具有相同的传播速度。光速的恒定体现了一个被称为“洛伦兹不变性”（Lorentz invariance）的深刻原理，该原理则是爱因斯坦相对性原理的数学提炼：对所有以恒定速度运动的观测者来说，物理定律都是相同的。

但是，这个原理是否真的成立？在量子引力理论中，情况未必如此。时空的精细结构可能会出现波动起伏，高能光子对这些扰动的敏感性远远高于低能光子。打个比方来说，轮子较小的婴儿车对路面形状的敏感性，显然要比轮胎巨大的重型卡车高得多。当高能光子在这些波动起伏之间穿行时，它们必须行经的路程也许就会伸长或缩短，改变它们穿越宇宙所用的时间。测量极小速度差异的最佳方法，就是举办一场距离超长的“马拉松比赛”——距离越长，抵达终点的时间差异就会越大。每一个伽马暴的出现，都意味着大自然举办了这样一场长跑比赛——伽马暴释放出不同能量的光子脉冲，需要穿越数十亿光年的距离，才能最终抵达我们这里。

EGRET在它的视场内只检测到6个伽马暴，每个伽马暴也只观察到少量光子。GLAST能够检测到的伽马暴和光子数量肯定会多得多。它有能力探测伽马暴产生的高能光子与低能光子，在经过长途跋涉抵达我们这里的时候，可能存在的时间先后差异。有些理论模型预言，抵达时间可能相差10毫秒以上，这是GLAST能够分辨出来的。如果这颗卫星检测到时间差异，物理学家首先必须排除许多常规天体物理解释，例如爆发恒星自身内部的各种效应。检验方法之一，是观察这种时间差异会不会随宇宙学距离的增加而单调增长。如果情况确实如此，人们就会怀疑大多数常规解释是否正确。另一种检验方法则是，观测各类不同天体发出的伽马射线是否存在相同的时间差异。这些天体不仅仅局限于伽马暴，还包括超大质量黑洞产生的伽马射线耀闪。

5 极端环境中的物质

上面列出的种种现象，都需要新的物理学规律进行解释。但科学家们仍然在努力尝试用我们已有的规律去解释一些极端现象，在这些方面，GLAST也将发挥非常重要的作用。超大质量黑洞就是一个例子，它们似乎普遍存在于星系中心，与它们所处星系的形成及演化有着密切的联系。当星系中心的黑洞吞噬周围气体而发展壮大时，星系核就被点亮，成为一个活动星系核（active galactic nuclear，以下简称AGN）。这些活动星系核也是宇宙中伽马射线的主要来源之一。

这些黑洞不会直接产生伽马辐射。相反，它们会触发强劲的高能粒子喷流。这些粒子在喷流中接近光速运动，会与低能光子碰撞，使后者获得能量变成伽马光子。天体物理学家认为，对于一个旋转黑洞而言，喷流会出现在黑洞的自转轴方向，它的能量是从黑洞的转动能量中获得的。仅仅是活动星系核中辐射出来的伽马射线能量，也可以与银河系中所有恒星在整个电磁波能谱上释放的能量相媲美。

因此，这些喷涌而出的伽马射线提供了一个独特的探针，让我们有机会一探黑洞附近的极端环境。这些喷流为什么能在上千光年的距离上保持笔直？喷流的动能在哪里被转化为伽马辐射，又是如何被转化的？GLAST将与射电及光学天文台联手，共同观测这些强大辐射源的能谱随时间的演化过程，这或许能为我们提供一部分答案。

快速旋转的中子星是宇宙中仅次于黑洞的一种奇异天体。有些中子星的磁场是自然界中已知最强的，它们构成了一个个天然加速器系统，能够把带电粒子加速到LHC远远无法企及的高能状态。不同寻常的粒子反应可以在这些天体表面附近发生，伽马射线为我们提供了探测这些反应的最佳途径。康普顿伽马射线天文台曾经探测到银河系中6颗年轻中子星产生的伽马辐射。根据目前最好的理论模型，我们预期GLAST能够探测到超过60颗的中子星。

过去几十年来，伽马暴一直是天体物理学中最大的谜团之一。伽马暴是一种非常短暂的高能辐射爆发现象，随机出现在天空的任意方位，而且每个伽马暴只出现一次。最近几年，天文学家取得了巨大的进展，逐渐揭开了伽马暴的神秘面纱。似乎有两种现象能够产生伽马暴：一种是垂死的大质量恒星的核心坍缩形成黑洞；另一种是两颗中子星（或中子星和黑洞）发生并合。事实上，两种机制可能分别对应于不同类型的伽马暴。GLAST是解开这些谜团的不二之选。

在高能状态下，还会发生一种奇特的物理过程：光可以和光发生相互作用。在低能状态下，两条光束可以彼此穿越而互不理睬；但在高能状态下，量子效应会使它们彼此间更善于“交流”。例如，当伽马光子在空间中穿行时，它们可以与星光相互作用，产生正负电子对。因此，可见光就成了伽马光子必须设法穿越的一层薄雾。这样一来，对于遥远天体发出的极高能伽马射线来说，宇宙就会变得不再透明。GLAST可以测量大量活动星系的伽马射线能谱，从而测量空间中充斥着多少可见光和紫外线，至少可以得出这些光子的密度上限。反过来，可见光和紫外线光子的数量，又能确定宇宙中恒星形成率随时间的演变过程。

6意想不到的发现

历史经验告诉我们，测量能力的飞跃，经常会让大自然暴露出意想不到的面貌。康普顿伽马射线天文台曾在1994年观测到一个非常奇怪的现象：在某个伽马暴爆发75分钟以后，这颗卫星探测到一个单独的伽马光子，携带着高达18 GeV的庞大能量——这是迄今发现的、伽马暴产生的能量最高的光子。自那以后，理论物理学家们一直在推测，这样一起事件可以向我们透露多少有关伽马暴物理过程的信息。

谁又会知道，即将到来的大发现时代会给我们带来些什么？仅从上一代伽马射线空间探测器的成果加以推断，GLAST肯定能够解开许多关于高能宇宙的疑问，但是没有人知道还会有其他什么东西意外闯进由它开启的新窗口。