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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-03-07 10:42 | 專題：引力波：宇宙中的“時(shí)空漣漪” |
按：本文來自知社學(xué)術(shù)圈南洋樂，原標(biāo)題為《后引力波之戰(zhàn)已經(jīng)打響，神秘伽馬射線來自何方？》
一個(gè)月前，引力波探測消息引爆全球，并引發(fā)持續(xù)研究討論。在這組來自13億年前的引力波被探測到的同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)一束奇異的光射線信號(hào)也到達(dá)地球。這僅僅是一個(gè)巧合，還是將引領(lǐng)科學(xué)界重新認(rèn)識(shí)黑洞？讓我們拭目以待。
2015年9月14日，幾乎是在LIGO探測到兩個(gè)黑洞碰撞的引力波的同時(shí)，在距離地球500公里的外太空也有另一個(gè)更晦澀的信號(hào)被發(fā)現(xiàn)。近軌衛(wèi)星搭載的費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡記錄了一次伽馬射線爆發(fā)。但是這個(gè)伽馬射線信號(hào)太微弱了，以至于NASA望遠(yuǎn)鏡背后的科學(xué)家們一開始并沒有注意到它。
“引力波探測器LIGO發(fā)現(xiàn)的是一組非常清晰的信號(hào)，幾乎清晰到難以置信，而我們發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)要模糊得多，也僅僅是因?yàn)樘拷Σòl(fā)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)才讓這個(gè)數(shù)據(jù)變得有趣。” 費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的一位研究組成員Valerie Connaughton這樣說。
2016年2月11日，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的研究人員在預(yù)印論文網(wǎng)站arxiv.org上發(fā)表文章，描述了這次伽馬射線爆發(fā)以及猜測它可能來自于LIGO探測到的同一黑洞碰撞事件。這一相關(guān)聯(lián)系僅僅建立在假想層面，并且需要推翻一些根深蒂固的天文物理常識(shí)。天文學(xué)家長久以來認(rèn)為黑洞周圍是真空，因?yàn)樗鼤?huì)吞噬周圍的所有物質(zhì)。而如果周圍缺乏物質(zhì)就意味著兩個(gè)黑洞的融合不可能產(chǎn)生光及射線。
“如果沒有帶電粒子就沒有磁場，沒有磁場就沒有電磁波，”普林斯頓大學(xué)天文學(xué)家Adam Burrows解釋道，“這是個(gè)很清楚的系統(tǒng)。”
但是費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡探測到的伽馬射線爆發(fā)意味著這一對(duì)黑洞的周圍可能并不是完全真空。在費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章的幾天之后，許多天文學(xué)家紛紛就黑洞周圍的物質(zhì)存在提出理論支持，從而解釋伽馬射線伴隨黑洞碰撞爆發(fā)。這些理論結(jié)合了天文學(xué)家的想象力和某些未解的歷史天文事件，以解釋這一次不尋常的射線現(xiàn)象。
（伽馬射線爆發(fā)通常發(fā)生在大恒星塌陷形成黑洞過程中，兩道粒子束以近光速向外噴射 。圖片來源：NASA)
伽馬射線在電磁譜的最末端。在所有的射線中，它們的波長最短，頻率最高，能量最大 (是紫外線的一百萬倍)。
伽馬射線要在極端的條件下才能產(chǎn)生。目前，只有兩種已知的天文事件會(huì)發(fā)出伽馬射線。第一種是當(dāng)大質(zhì)量恒星塌陷成為黑洞時(shí)，當(dāng)恒星核塌陷時(shí)會(huì)剝離周圍表層物質(zhì)，形成強(qiáng)烈能量噴射，以接近光速將這些物質(zhì)推入太空。這被稱為“長伽馬射線爆發(fā)”，約占伽馬射線爆發(fā)事件的80%，通常持續(xù)20秒左右。
第二種能產(chǎn)生伽馬射線的機(jī)理是兩個(gè)非常緊密物體的融合，比如中子雙星或者中子星與黑洞融合。在中子星和黑洞融合情況下，來自中子星的物質(zhì)在黑洞周圍形成被稱為吸積盤的物質(zhì)圓環(huán)。當(dāng)來自吸積盤的物質(zhì)落入黑洞時(shí)，沿著融合軸線產(chǎn)生能量的噴射，從而形成“短伽馬射線爆發(fā)”，持續(xù)時(shí)間少過兩秒鐘。
伽馬射線爆發(fā)像是宇宙中的煙火表演，以我們難以想象的規(guī)模爆發(fā)。這也為天文學(xué)家提供了觀察隱秘宇宙事件的途徑。
“短伽馬射線爆發(fā)讓我們能夠觀察到暗物質(zhì)，” Connaughton說，“當(dāng)這些物質(zhì)融合的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的粒子能量噴射，從而讓我們能夠觀察到這些平時(shí)不能觀察到的物質(zhì)。”
在2015年9月14日，費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡探測到一次短到一閃而過的事件，而這一被記錄下的事件信號(hào)非常微弱，以至于研究團(tuán)隊(duì)并沒有注意到它。后來，當(dāng)?shù)弥狶IGO探測到引力波時(shí)，他們回過頭來重新檢視數(shù)據(jù)，看費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡有沒有在同一時(shí)間發(fā)現(xiàn)有趣的信號(hào)。為了更好地搜索和解讀數(shù)據(jù)，他們采用了來自Harvard-Smithsonian天文學(xué)中心的Lindy Blackburn算法。Lindy Blackburn同時(shí)也是LIGO聯(lián)盟的成員之一。然后，他們發(fā)現(xiàn)了這次伽馬射線爆發(fā)，比引力波探測到的時(shí)間晚0.4秒，持續(xù)一秒鐘。它具有典型的短伽馬射線爆發(fā)事件的特征，其源頭能量是太陽等長時(shí)間發(fā)射能量的10000兆倍。
這次伽馬射線爆發(fā)會(huì)不會(huì)是探測的錯(cuò)誤？如果是真實(shí)的，這是否來自LIGO探測到引力波的同一事件？這在費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文后的幾周內(nèi)引發(fā)了全球的熱烈討論。
費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)估算這次伽馬射線爆發(fā)來自于2000平方度的太空。和LIGO探測器的600平方度重合以后，伽馬射線的來源區(qū)域縮小到200平方度的空間，這可以支持伽馬射線爆發(fā)和引力波來自同一源頭的猜想。而這兩次事件的時(shí)間點(diǎn)也支持這一猜想。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡平均每10000秒 (每兩小時(shí)四十七分鐘) 探測到一次這種強(qiáng)度的伽馬射線爆發(fā)，這使費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡“巧合地”與LIGO同一時(shí)間探測到引力波事件的可能性變得很低 (當(dāng)然，并沒有低到可能性變成0)。
“這是個(gè)低概率事件，但并不是說完全不可能。” Connaughton說，“因此我們非常謹(jǐn)慎地看待這一事件和LIGO探測引力波的聯(lián)系。這是個(gè)3sigma事件，并不是可以拍胸脯打包票的事件”。事實(shí)上，在費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡探測到爆發(fā)的同一時(shí)間，另一個(gè)伽馬射線探測器——?dú)W洲宇航局的國際伽馬射線天體物理實(shí)驗(yàn)室 (INTEGRAL) ——并沒有任何發(fā)現(xiàn)。“在我們看來，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡探測到的伽馬射線爆發(fā)和LIGO探測到的引力波源頭沒有什么聯(lián)系”，INTEGRAL的成員Carlo Ferrigno這樣說。
而費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)對(duì)這兩個(gè)事件之間的聯(lián)系也看得更為謹(jǐn)慎，因?yàn)閮蓚€(gè)黑洞的融合并不應(yīng)該發(fā)出射線。“每件事都有其規(guī)律，特別是物理”，Connaughton說。
現(xiàn)在物理提出了問題，或者說是一個(gè)謎題。
“產(chǎn)生伽馬射線通常需要一些條件，比如在融合天體周圍的吸積盤”，倫敦國王學(xué)院的粒子物理學(xué)家John Ellis這樣說。“如果你說的是中子星的融合，這很容易解釋。但是出現(xiàn)在黑洞周圍就很不尋常了。”
費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)會(huì)被時(shí)間證實(shí)或者證偽。LIGO將必然會(huì)探測到更多的引力波。當(dāng)新引力波出現(xiàn)的時(shí)候，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)會(huì)檢視相應(yīng)的伽馬射線爆發(fā)記錄。如果他們找到了，那么這就真的是大事件了。
同時(shí)，天文學(xué)家也在試圖解釋一對(duì)黑洞周圍如何有足夠的物質(zhì)來產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)。張冰，內(nèi)華達(dá)大學(xué)的天文學(xué)家，提出假想：如果一個(gè)或者兩個(gè)融合中的黑洞帶有電荷，那么這些電荷可能足夠產(chǎn)生磁場從而形成伽馬射線爆發(fā)。但目前的共識(shí)是，黑洞不可能帶有電荷。
（張冰，內(nèi)華達(dá)大學(xué)的天文學(xué)家）
另一個(gè)假想來自于石溪大學(xué)天文學(xué)家Rosalba Perna。根據(jù)2月16號(hào)發(fā)表在arxiv.org的論文，她和兩個(gè)同事設(shè)想了兩個(gè)處于雙星系統(tǒng)中的大質(zhì)量恒星都耗盡塌陷為兩個(gè)黑洞。當(dāng)?shù)诙€(gè)大恒星死亡時(shí)，其外殼塌陷形成吸積盤。然后，當(dāng)兩個(gè)黑洞融合時(shí)，前一個(gè)黑洞穿過后一個(gè)黑洞的吸積盤，產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)。
Avi Loeb，哈佛大學(xué)天文系主席，提出了第三種假設(shè)，其論文于2月15號(hào)刊登在arxiv.org上，隨后被The Astrophysical Journal Letters接受發(fā)表。Loeb解釋了一顆100倍太陽大小的恒星如何同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)黑洞。據(jù)他設(shè)想，這顆大恒星是由兩顆稍小恒星結(jié)合產(chǎn)生，在兩顆稍小結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)量使大恒星高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)大恒星最終開始塌陷時(shí)，高速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力使其星核像啞鈴形狀分裂為兩塊，每一塊最終形成一個(gè)黑洞，而兩個(gè)黑洞同時(shí)吞噬在引力下塌陷的大恒星外殼。
“這有點(diǎn)像在媽媽肚子里的一對(duì)雙胞胎，當(dāng)它們到一起的時(shí)候，最終形成了一個(gè)黑洞，”Loeb說。
Loeb的模型里兩個(gè)黑洞最終融合，而這一融合是在大恒星內(nèi)部發(fā)生的，這會(huì)提供很多的物質(zhì)來產(chǎn)生伽馬射線爆。事實(shí)上，Loeb推斷在融合時(shí)每秒會(huì)有整個(gè)太陽大小的質(zhì)量墜入新產(chǎn)生的黑洞中。
雙黑洞碰撞 (圖片來源: Mashable)
Loeb的論文只是一個(gè)開始，很多天文學(xué)家都在努力試圖解釋這一現(xiàn)象。如果這一假想能站住腳的話，天文學(xué)家將需要一種新的思考方式。這一假想的核心，一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大恒星，從來沒有被觀察到過。另外，當(dāng)一顆星的內(nèi)核高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，也通常不會(huì)分裂為啞鈴狀的兩塊，而是在旋轉(zhuǎn)臂上形成扁平的盤狀。接下來，Loeb和其他人都會(huì)做計(jì)算機(jī)模擬來驗(yàn)證是否可能出現(xiàn)他論文中描述的分裂情況。Loeb的一些同事也對(duì)他的假設(shè)持懷疑態(tài)度。
“我個(gè)人認(rèn)為這有點(diǎn)扯，” Burrows說，“這好像硬搬了好幾個(gè)孫悟空一起來七十二變才能解釋這個(gè)可能一開始就是一個(gè)偽事件的觀測結(jié)果。”
而另一些人認(rèn)為Loeb的論文為天文學(xué)指出了明確的方向，不管最后這個(gè)假設(shè)是對(duì)的還是錯(cuò)的。
“在科學(xué)史上，每當(dāng)有重大新發(fā)現(xiàn)時(shí) (這次是LIGO)，總能帶來讓大家提出新想法的早期假想時(shí)間，” Volker Bromm，德州大學(xué)奧斯丁分校的天文學(xué)家說，“我想在這一點(diǎn)上Loeb的論文是很棒的，它讓大家注意到下一步需要做什么，這聽起來的確是很合理的。”
時(shí)間會(huì)證實(shí)費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的真實(shí)性。如果它最后被證實(shí)是可信的，那么將需要建構(gòu)新的理論來解釋兩個(gè)黑洞如何產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)。這些新的理論可能已經(jīng)被張冰、Perna 和 Loeb提出了，也可能會(huì)是完全不同的新構(gòu)想。而能夠預(yù)見到的是，在LIGO大發(fā)現(xiàn)以后會(huì)產(chǎn)生和完成很多新的科學(xué)。后引力波世界的研究競爭已經(jīng)開始了！
參考文獻(xiàn)
1、After Black Holes Collide, a Puzzling Flash
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