互动科普

撰文/张博、吴雪峰、戴子高

雨燕与费米：更快的反应速度，更高的观测能段

持续时间更短的短暴行为要等到2004年底美国的雨燕伽玛暴监测卫星入役之后才现出了真身。雨燕卫星（Swift）正得名于它空前的反应速度——雨燕是自然界反应最为敏捷的鸟类，而雨燕卫星搭载的爆发预警望远镜（BAT）在触发后最快只需12秒就可以完成伽玛暴的初步定位，同时用于后续观测的X射线望远镜（XRT）以及紫外/光学望远镜（UVOT）也都可以在数十秒内作出及时响应并完成转向，反应速度堪称当时的伽玛暴探测卫星之最。这样的快速反应能力正是短暴余辉以及宿主星系发现的关键。与长暴相比，短暴的宿主星系更为多样，其中不乏没有新生恒星形成的年老椭圆星系。而且短暴发生的位置往往还相对星系中心存在较大偏移，如果使用双致密星并合模型，这种偏移正可以用中子星形成之时遭受的冲击力来顺理成章地解释。

雨燕卫星作出的重要发现还少不了伽玛暴余辉与标准模型不符的早期行为,如X射线耀发，表现为余辉期间X射线流量在背景之上的突增和骤减，一般认为这种现象与伽玛暴中心能源在主暴过后的长期活动有关，如爆发的抛射物落回了刚刚形成的黑洞（此外戴子高教授还提出可以用新生磁星的磁重联解释短暴的耀发）；另外还有若干红移高于6的高红移伽玛暴，红移达到6对应了宇宙诞生后的9.5亿年，而观察到的伽玛暴红移最高超过了8，甚至还有可能超过9,对应于宇宙年龄6亿年甚至5亿年。这其中，前者无疑对理论工作者提出了挑战，让伽玛暴的模型进一步得以完善，尤其凸显了爆发的中心能源在辐射伽玛射线的主暴过后依然存在长时标活动的特性；后者则拓展了可观测宇宙的前沿，让人们一窥宇宙早期的恒星和星系形成，引发了一系列籍由伽玛暴限制宇宙学相关参数（如宇宙中物质和暗能量的密度）以及早期宇宙演化史的研究。值得一提的是，戴子高教授及其合作者在2004年首次利用当时刚刚发现的一个伽玛暴“标准烛光”可靠地限制了宇宙学暗能量参数，标志了伽玛暴宇宙学时代的到来。当然，雨燕卫星不得不提的发现还有亮度超高、瞬时光学闪的星等高达5.3的“肉眼可见”伽玛暴GRB 080319B；以及某些兼具长短暴特性的伽玛暴，如持续时间明显超过2秒但并无成协超新星的GRB 060614，这促使研究者开始考虑从前身天体的本质而非持续时间对伽玛暴进行重新分类。如今雨燕这颗已经连续工作11年的卫星仍旧保持着良好状态，在NASA组织的航天器评审期间更是评分高居天文卫星榜首。可以预见，只要卫星的关键系统不发生故障，雨燕的发现就还会继续下去。

2008年发射的费米伽玛射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）是当今又一伽玛暴监测的主力，它的优势主要在高能段。雨燕卫星只能准确观测能量低于150keV（千电子伏特）的软伽玛射线/硬X射线光子，而费米的大面积望远镜（LAT）的观测能段上限达到了300GeV（10亿电子伏特），伽玛暴监视仪（GBM）上限也达到了1000keV（作为比较，可见光光子的能量只有几个电子伏特）。这样高的能量往往源自超高的抛射物速度和温度，对应极端的相对论性物理过程，从而可以限制伽玛暴源区的一系列关键参数。虽然在康普顿时代甚至更早，研究者就已经发现了来自伽玛暴的GeV光子，但费米望远镜的LAT仪器凭借空前的探测器面积和灵敏度，大大促进了对伽玛暴高能行为的系统研究。

大致说来，如今费米望远镜的GBM仪器因为视场较大，伽玛暴探测率每年可以达到大约200个，已经胜过了雨燕卫星（但定位精度较后者为差）；而LAT仪器每年可以探测到来自大约10个伽玛暴的高能辐射。虽然LAT对伽玛暴高能光子的探测率并不如望远镜发射之前最乐观的估计，但考虑早年伽玛暴高能辐射理论的不确定性颇大，这样的观测事实已经可以对理论提出很大的限制了。而伽玛暴高能辐射的能谱形态和能量同样可以给出中心能源抛射物运动速度和成分的线索（如抛射物是以物质为主还是由磁场主导、运动速度相对光速如何），加深研究者对极端爆发现象的理解。除此之外，费米还探测到了最明亮的一些伽玛暴，如红移超过4但拥有爆发各向同性能量之最纪录的GRB 080916C（相当于9000颗超新星）、最猛烈的短暴GRB 090510，以及距离较近的高光度暴兼单光子能量最高纪录的保持者GRB 130427A（最高光子能量达到了100GeV左右），它们都对伽玛暴的研究贡献良多。

图. 费米大面积望远镜眼中的GRB 130427A，左为爆发之前的伽玛射线天空图，右为爆发后的情况，可见这个伽玛暴瞬间成为了全天最明亮的高能辐射源。  图/NASA

在伽玛暴本身的理论研究之外，费米望远镜系统性的高能观测还促成了一些基础物理研究，比如通过同一伽玛暴不同能段高能光子的到达时间差来限制洛伦兹不变性破缺，也就是为量子引力理论中的时空泡沫结构设限。而比较伽玛暴多波段低能余辉的到达时间差还可以限制光子的静止质量，从而解决物理学中的一些根本性问题。另外又由于高低能光子相撞时可能湮灭成为正负电子对，反映在观测上就是高能辐射谱会出现不应出现的截断。因此，研究伽玛暴的高能辐射，还可以对难以捉摸的河外背景光（介于红外到紫外之间的宇宙背景辐射，一般认为主要来自宇宙不同时期的恒星形成过程）提出重要的约束，进而限制宇宙的产星史。

未来呢？除了费米、雨燕以及其他一些空间探测器会继续进行监测之外，越来越多的地面仪器也将投入到伽玛暴后续观测工作中来。这其中不仅仅包括各路光学望远镜和射电望远镜，现在TeV（万亿电子伏特）切伦科夫望远镜、引力波探测器以及冰立方（IceCube）这样的大型中微子探测器也加入了伽玛暴研究的行列。这是因为根据理论预言，伽玛暴可能会产生特高能TeV辐射；双致密星的并合不仅仅会带来伽玛射线的爆发，更会伴以独特的引力波辐射；且多种理论都预言会有中微子从伽玛暴的中心能源涌出。虽说以现有探测器的技术水平，探测源自伽玛暴的引力波或中微子还是有些困难的（不过激光干涉仪引力波天文台LIGO最近在完成升级后有望用于低红移短暴探测），TeV探测在仪器灵敏度之外更是严重受制于高红移区河外背景光的吸收，但就算零探测也具备极其重要的理论意义，至少可以对模型作出关键限制。当然，如果能够确认来自伽玛暴的多信使信号，尤其是引力波信号，对基础物理和前沿物理研究的影响将是极为深远的。

另外，中国也计划与瑞士合作发射伽玛暴线偏振探测器（POLAR），并与法国合作发射空间变源监测卫星（SVOM）。如果进展顺利，它们有望为揭示伽玛暴之谜作出自己的贡献，最终帮助研究者全面认识宇宙中这种最猛烈的爆发，窥探最激烈的物理过程，了解大质量恒星的生死过程，由此描绘宇宙的演化史。

虽然近年来伽玛暴领域已经有了突飞猛进的发展，统一的理论图景业已浮出了水面，但其中未决的关键问题仍有很多，甚至不同的观测得出的推论可能还是彼此矛盾的。也许这一点正说明了真实伽玛暴的多样性，也说明了对于大质量恒星坍缩的过程，我们还有很多尚未认识的细节。而伽玛暴也会一如既往地用极端的特性吸引着更多新人加入到这一领域中来。相信随着研究的深入，越来越多的伽玛暴相关谜题最终将得以揭示。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）