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| 本文作者： 知社學術(shù)圈 | 2016-03-07 10:42 | 專題：引力波：宇宙中的“時空漣漪” |
按：本文來自知社學術(shù)圈南洋樂，原標題為《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，科學家還發(fā)現(xiàn)一束奇異的光射線信號也到達地球。這僅僅是一個巧合，還是將引領(lǐng)科學界重新認識黑洞？讓我們拭目以待。
2015年9月14日，幾乎是在LIGO探測到兩個黑洞碰撞的引力波的同時，在距離地球500公里的外太空也有另一個更晦澀的信號被發(fā)現(xiàn)。近軌衛(wèi)星搭載的費米伽馬射線空間望遠鏡記錄了一次伽馬射線爆發(fā)。但是這個伽馬射線信號太微弱了，以至于NASA望遠鏡背后的科學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，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，也僅僅是因為太靠近引力波發(fā)現(xiàn)的時間點才讓這個數(shù)據(jù)變得有趣。” 費米望遠鏡的一位研究組成員Valerie Connaughton這樣說。
2016年2月11日，費米望遠鏡的研究人員在預印論文網(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。天文學家長久以來認為黑洞周圍是真空，因為它會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，”普林斯頓大學天文學家Adam Burrows解釋道，“這是個很清楚的系統(tǒng)?！?/p>
但是費米伽馬射線空間望遠鏡探測到的伽馬射線爆發(fā)意味著這一對黑洞的周圍可能并不是完全真空。在費米望遠鏡團隊發(fā)表文章的幾天之后，許多天文學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發(fā)出伽馬射線。第一種是當大質(zhì)量恒星塌陷成為黑洞時，當恒星核塌陷時會剝離周圍表層物質(zhì)，形成強烈能量噴射，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)生伽馬射線的機理是兩個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)。當來自吸積盤的物質(zhì)落入黑洞時，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，“當這些物質(zhì)融合的時候，會產(chǎn)生強烈的粒子能量噴射，從而讓我們能夠觀察到這些平時不能觀察到的物質(zhì)?！?/p>
在2015年9月14日，費米伽馬射線空間望遠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非常微弱，以至于研究團隊并沒有注意到它。后來，當?shù)弥狶IGO探測到引力波時，他們回過頭來重新檢視數(shù)據(jù)，看費米望遠鏡有沒有在同一時間發(fā)現(xiàn)有趣的信號。為了更好地搜索和解讀數(shù)據(jù)，他們采用了來自Harvard-Smithsonian天文學中心的Lindy Blackburn算法。Lindy Blackburn同時也是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間發(fā)射能量的10000兆倍。
這次伽馬射線爆發(fā)會不會是探測的錯誤？如果是真實的，這是否來自LIGO探測到引力波的同一事件？這在費米望遠鏡團隊發(fā)表論文后的幾周內(nèi)引發(fā)了全球的熱烈討論。
費米望遠鏡團隊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。而這兩次事件的時間點也支持這一猜想。費米望遠鏡平均每10000秒 (每兩小時四十七分鐘) 探測到一次這種強度的伽馬射線爆發(fā)，這使費米望遠鏡“巧合地”與LIGO同一時間探測到引力波事件的可能性變得很低 (當然，并沒有低到可能性變成0)。
“這是個低概率事件，但并不是說完全不可能?！?Connaughton說，“因此我們非常謹慎地看待這一事件和LIGO探測引力波的聯(lián)系。這是個3sigma事件，并不是可以拍胸脯打包票的事件”。事實上，在費米望遠鏡探測到爆發(fā)的同一時間，另一個伽馬射線探測器——歐洲宇航局的國際伽馬射線天體物理實驗室 (INTEGRAL) ——并沒有任何發(fā)現(xiàn)?！霸谖覀兛磥恚M米望遠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。
而費米望遠鏡團隊對這兩個事件之間的聯(lián)系也看得更為謹慎，因為兩個黑洞的融合并不應該發(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”，倫敦國王學院的粒子物理學家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?！?/p>
費米望遠鏡的發(fā)現(xiàn)會被時間證實或者證偽。LIGO將必然會探測到更多的引力波。當新引力波出現(xiàn)的時候，費米望遠鏡團隊會檢視相應的伽馬射線爆發(fā)記錄。如果他們找到了，那么這就真的是大事件了。
同時，天文學家也在試圖解釋一對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)華達大學的天文學家，提出假想：如果一個或者兩個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)。但目前的共識是，黑洞不可能帶有電荷。
（張冰，內(nèi)華達大學的天文學家）
另一個假想來自于石溪大學天文學家Rosalba Perna。根據(jù)2月16號發(fā)表在arxiv.org的論文，她和兩個同事設(shè)想了兩個處于雙星系統(tǒng)中的大質(zhì)量恒星都耗盡塌陷為兩個黑洞。當?shù)诙€大恒星死亡時，其外殼塌陷形成吸積盤。然后，當兩個黑洞融合時，前一個黑洞穿過后一個黑洞的吸積盤，產(chǎn)生伽馬射線爆發(fā)。
Avi Loeb，哈佛大學天文系主席，提出了第三種假設(shè)，其論文于2月15號刊登在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產(chǎn)生兩個黑洞。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)合時產(chǎn)生的動量使大恒星高速旋轉(zhuǎn)。當大恒星最終開始塌陷時，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黑洞，而兩個黑洞同時吞噬在引力下塌陷的大恒星外殼。
“這有點像在媽媽肚子里的一對雙胞胎，當它們到一起的時候，最終形成了一個黑洞，”Loeb說。
Loeb的模型里兩個黑洞最終融合，而這一融合是在大恒星內(nèi)部發(fā)生的，這會提供很多的物質(zhì)來產(chǎn)生伽馬射線爆。事實上，Loeb推斷在融合時每秒會有整個太陽大小的質(zhì)量墜入新產(chǎn)生的黑洞中。
雙黑洞碰撞 (圖片來源: Mashable)
Loeb的論文只是一個開始，很多天文學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，天文學家將需要一種新的思考方式。這一假想的核心，一個高速旋轉(zhuǎn)的巨大恒星，從來沒有被觀察到過。另外，當一顆星的內(nèi)核高速旋轉(zhuǎn)時，也通常不會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和其他人都會做計算機模擬來驗證是否可能出現(xiàn)他論文中描述的分裂情況。Loeb的一些同事也對他的假設(shè)持懷疑態(tài)度。
“我個人認為這有點扯，” Burrows說，“這好像硬搬了好幾個孫悟空一起來七十二變才能解釋這個可能一開始就是一個偽事件的觀測結(jié)果?！?/p>
而另一些人認為Loeb的論文為天文學指出了明確的方向，不管最后這個假設(shè)是對的還是錯的。
“在科學史上，每當有重大新發(fā)現(xiàn)時 (這次是LIGO)，總能帶來讓大家提出新想法的早期假想時間，” Volker Bromm，德州大學奧斯丁分校的天文學家說，“我想在這一點上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。”
時間會證實費米望遠鏡發(fā)現(xiàn)的真實性。如果它最后被證實是可信的，那么將需要建構(gòu)新的理論來解釋兩個黑洞如何產(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，也可能會是完全不同的新構(gòu)想。而能夠預見到的是，在LIGO大發(fā)現(xiàn)以后會產(chǎn)生和完成很多新的科學。后引力波世界的研究競爭已經(jīng)開始了！
參考文獻
1、After Black Holes Collide, a Puzzling Flash
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