进行中：伽马射线暴

地面望远镜描绘了宇宙相对平静的一面。地球的大气层和电离层除了可见光、无线电波和红外信号外，会屏蔽所有形式的辐射。因此，直到半个世纪前卫星出现之前，天文学家从未捕捉到来自宇宙中最具能量的爆炸的高频波长。“我们只是透过光谱中一个极其微小的缝隙窥视，”芝加哥大学的や天体物理学家 Donald Lamb 说。“然后，在太空时代，门豁然大开，我们惊呼：‘哇！’”

HETE 卫星两侧装有太阳能电池板，顶部装有伽马射线探测器，远离太阳。该卫星还可以探测和精确定位 X 射线。图片由麻省理工学院提供

太空仪器向下传输了非凡的暴力场景。紫外线从密集、垂死的恒星中流出。X 射线标志着黑洞和太阳耀斑。1967 年 7 月 2 日，两颗执行监视秘密核试验任务的美国国防卫星探测到一个更为爆炸性的现象，其来源并非来自苏联，而是来自某个不明的天体源：一次伽马射线爆发。伽马射线是电磁光谱中最强大的辐射形式，已知会从放射性原子核和太阳磁场扰动中弥散而出。但没有人想到会看到来自宇宙边缘明亮而短暂的伽马射线信标。这些独特的爆发释放的光子比天空中任何一颗恒星都多。它们突然开始，只持续几秒钟，然后同样 abrupt 地消失。

自那时以来，科学家们一直在努力理解伽马射线暴。Lamb 说：“它们是我们所知的最不可思议的天文现象。”已提出了 100 多种模型来解释这些现象的起源。有些模型依赖于像彗星-反彗星湮灭和星际战争这样牵强的机制。但过去十年收集到的观测数据支持了更有希望的理论。如今，大多数天文学家认为伽马射线暴是当一颗质量巨大且快速旋转的恒星在其自身引力作用下坍缩形成黑洞时产生的。坍缩的恒星，或称“坍缩星”，是一种超新星，但恒星非凡的质量和自旋使其以更快、更灾难性的方式结束。

计算机模拟表明，恒星内爆产生的巨大热量被聚焦到两束物质和能量的喷流中。一个喷流向上射出，越过坍缩的旋转平面；另一个喷流向下射出。当双喷流以接近光速的速度移动时，喷流中的能量和碎片发生碰撞，引发一种冲击效应——能量的瞬时传递，从而产生伽马辐射爆发。虽然普通的超新星可能会燃烧数周或数月，但坍缩星的能量被压缩成一次通常持续 20 秒的爆发。加州大学圣克鲁兹分校的坍缩星理论作者之一 Stan Woosley 说：“伽马射线暴的亮度比普通超新星高出 1000 万倍以上。”

20 世纪 90 年代初，NASA 的康普顿伽马射线天文台每年记录约 400 次爆发事件。但该仪器无法确定爆发在太空中的位置。找到伽马射线暴的来源就像在棒球比赛中试图弄清楚是谁用花生砸了你的头。你无法预警，嫌疑人众多，撞击只给出物体轨迹的模糊线索。自发现以来，虽然观测到数千次爆发，但只有少数的起源得到确认。如果你无法确定伽马射线暴“在哪里”，就很难说它“是什么”。

伽马射线暴的寿命极短，天文学家对其起源知之甚少。但哈勃太空望远镜的图像支持了它们发生在巨星坍缩和死亡过程中的观点。在 2001 年发生一次伽马射线暴后，哈勃太空望远镜扫描了爆发发生附近的星系。在五个月的时间里，它捕捉到了伽马射线暴余辉的残骸。图片由 Shri Kulkarni/Caltech (5) 提供

这种僵局在 1997 年开始得到缓解，当时一颗名为 BeppoSAX 的意大利-荷兰卫星在一次爆发后探测到了“余辉”——一种在伽马射线消失后数天甚至数月仍能持续的 X 射线、可见光和无线电波的衰减残余。余辉是伽马射线天文学的“罗塞塔石碑”。由于它们比爆发本身持续的时间长得多，因此为天文学家提供了计算源的距离和方向的时间。余辉研究证实，伽马射线暴不仅是有史以来记录到的最明亮、能量最强的事件，也是最遥远的事件。迄今为止定位到的最远的一次爆发发生在近 120 亿光年之外；它的辐射在银河系诞生之前不久释放。

但天文学家认为，从原理上讲，爆发及其余辉的亮度足以传播到更遥远的宇宙空间和时间。它们可能来自宇宙大爆炸约 150 亿年前，紧随其后的数亿年黑暗时期的尽头。余辉将携带当时最年轻恒星形成的条件的签名，这些恒星锻造了构成宇宙其他部分的元素。Lamb 说：“你可以看到第一缕光、第一颗恒星的形成以及重元素的制造。”当余辉的衰减光线传向地球时，它会带上沿途每个星系和气体云的元素特征——一张穿越时间的宇宙结构和组成的地图。

伽马射线暴的巨大距离是合理的，因为被认为为其提供能量的那些巨大、旋转的恒星在早期宇宙中可能更为普遍。去年四月，一个国际天体物理学家团队提出了迄今为止最强有力的证据，表明一次特定的伽马射线暴确实伴随着一颗巨星的消亡。但伽马射线暴与超新星之间的联系仍远未明朗。而且，得益于 2000 年发射的 NASA 卫星“高能瞬态探测器”（HETE，发音与“Betty”押韵），情况变得更加复杂。HETE 是有史以来最灵敏的太空伽马射线仪器。它能在探测到爆发后的几秒钟内计算出爆发的位置，并将坐标传送到像项链一样串在赤道周围的地面站。然后，地面站会将爆发警报发送到麻省理工学院的控制中心，该中心再将其分发给全球伽马射线爱好者网络。几分钟之内，地面和太空望远镜就可以将 HETE 的观测扩展到其他波长。

到目前为止，该卫星及其团队已经记录了 17 起清晰的爆发事件。但其中一些“烟花”并不符合预测的模型。例如，所有观测到的爆发中，有五分之一的持续时间太短，无法用坍缩星理论来解释。这些超短伽马射线暴的持续时间不到一秒，但其能量却比长爆发更强。HETE 和其他太空仪器还观测到了由 X 射线和伽马射线组成的短暂混合闪光。余辉也表现出相当独特的个性。有些只在可见光中辐射，有些则只在 X 射线和无线电波中辐射。

麻省理工学院空间研究中心主任、HETE 项目负责人 George Ricker 沮丧地说：“当我们看到这些现象时，我们挠头说，‘这真奇怪——不知道该怎么处理它。’”

未来十年计划了另外三项伽马射线任务来帮助理清这些问题。与此同时，HETE 的数据似乎引发了关于宇宙中最明亮火花起源的又一轮猜测。即使是坍缩星模型的创始人也承认，没有单一的来源能够解释这些新奇的伽马射线观测现象。Woosley 说：“这简直是个动物园。”