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“费米”眼中的最高能宇宙
Francis Reddy　文　Shea　编译
	两年来，费米γ射线空间望远镜一直注视着宇宙中的活动星系、脉冲星、γ射线暴甚至还有量子引力，为我们展现了宇宙最剧烈的一面。 　　从2008年6月11日发射升空以来，美国宇航局（NASA）的费米γ射线空间望远镜以从未有过的深度把高能宇宙详尽地展现在了世人的面前。它观测了不同年龄的脉冲星、γ射线暴以及几十亿光年远的星系中巨大黑洞的爆发。 [图片说明]：由“费米”第一年的数据制做而成的迄今最深、最锐利的γ射线全天图。它显示的是“费米”上的大面积望远镜（LAT）所探测到的能量大于300兆电子伏或能量高于可见光约1.5亿倍以上的γ射线的分布，颜色越明亮说明γ射线越多。版权：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration。 　　这些以及其他来自γ射线天空的信号携带了宇宙中最剧烈现象的信息。这些高能量辐射也使得科学家们能够探索宇宙学和基本物理学中的关键问题。这是一次漫长的发现之旅，而我们的行程才刚刚开始。随着“费米”观测的不断积累，我们也在越来越深入宇宙，发现其前所未见的细节。 狂彪的光子 　　γ射线和射电波、可见光以及X射线属同宗，因为它们都是电磁波谱的一部分。γ射线的波长仅有几万亿分之一米——相当于一个原子的尺度或者更小——因此它在电磁波谱中有着最高的频率和能量。简单地说，γ射线是光的最高能量形式。 [图片说明]：2008年6月11日使用“德尔塔”2型火箭“费米”从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的17-B发射平台升空。版权：United Launch Alliance/Cartetoneallie。 　　事实上，电磁波谱中γ射线的能量跨度超过了其他部分的总和。科学家们会使用电子伏特来做为光子能量的单位，它的定义是一个电子经过1伏特的电势加速后所获得的动能。可见光的能量落在大约2～3电子伏特之间。牙医用X光大约为60,000电子伏特。即使能量最低的γ射线，其能量是这个数字的2倍，能量更高的甚至可以达到它的数万亿倍以上。幸运的是，大气为地球上的生命遮挡了危险的γ射线。 　　γ射线天文学的概念则可以追溯到1958年和当时在美国康乃尔大学的理论天体物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）。他提出可见光——观测天文学的基础——从本质上讲只是次级现象。恒星发光是因为其核心处的核反应所产生的γ射线加热气体所至。其他高能过程中也会产生γ射线，莫里森研究了几种可以发出γ射线的天体。 漫长的成长 　　虽然莫里森和其他人的研究瞬间激起了天文学家的兴趣，但从太空探测γ射线的早期尝试被证明是非常令人沮丧的。半个世纪后，“费米”在第一年的运转中就发现了1,500个源——相对于以前最佳的情况提高了5倍。然而，始于20世纪60年代的X射线天文学现在已经发现了数万个源。为什么会有这么大的差异呢？ 　　这其中有两个原因：探测宇宙γ射线源比科学家预期的更为困难，此外早期对源强度的预测也过于乐观。γ射线具有很强的穿透能力。它们可以穿透几厘米厚的铅，因此无法聚焦。任何空间γ射线望远镜的口径就等于探测器自身的大小。让事情更复杂化的是，带电粒子也可以伪装成γ射线信号，空间传感器探测到的带电粒子要远远多于它们实际探测到的γ射线。“费米”上先进的大面积望远镜（LAT）每2分钟也只能大约探测到一个来自船帆座脉冲星——天空中最强的连续γ射线源——的γ射线光子。 　　“费米”的两台仪器——LAT和γ射线暴监视器（GBM）——代表着目前空间γ射线探测的最高水准。和其他任何卫星相比，它们所能探测到的γ射线能量范围是最宽的，从8,000电子伏特到超过3,000亿电子伏特。这为天文学家提供了一个从未有过的探索极端宇宙的绝佳机会。 　　那么，它们都看到了些什么呢？ 追寻宇宙γ射线 1900年 法国巴黎高等师范大学的保罗·维拉尔（Paul Willard）发现镭能发出的一种穿透能力比X射线更强的辐射。 1903年 加拿大麦吉尔大学的欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）将维拉尔的发现命名为“γ射线”。 1949年 美国芝加哥大学的恩里科·费米（Enrico Fermi）发表了第一个有关星系磁场如何加速宇宙线——以接近光速运动的电子、正电子和原子核——的定量计算。 1958年 美国康乃尔大学的菲利普·莫里森（Philip Morrison）提出了γ射线天文学的概念。他预言了许多γ射线源，包括超新星爆发和被宇宙射线轰击的星际气体。 20世纪60年代初 NASA的“探险者”11号卫星进行了第一次可靠的宇宙γ射线探测，在9个小时中探测到了22个光子。使用气球和地面大气切伦科夫望远镜的尝试则均未果。 1967-1969年 NASA的轨道太阳天文台-3探测到来自深空的621个γ射线光子。它证实了银河系γ射线辐射来自宇宙线相互作用并且发现了弥漫γ射线背景。 1969年夏 美国空军维拉卫星对秘密核武器试验进行了6年监测。雷·凯尔巴萨贝尔（Ray Klebasabel）在检查维拉卫星1967年7月2日的数据时发现了第一个γ射线爆发。直到1973年这些发现仍属于机密。 1972年 NASA的小型天文卫星-2证实了弥漫γ射线背景。该卫星研究了蟹状星云脉冲星和船帆脉冲星，并发现了一个意料之外的点源，现在确定为X和γ射线脉冲星。 1975-1981年 欧洲的COS-B卫星探测到第一个银河系外γ射线源——类星体3C 273。NASA的高能天体物理天文台-3发现了来自银河系中心的51.1万电子伏特的γ射线。这对应的正好是电子和正电子的湮灭。 1988年 气球实验探测到了超新星1987A新产生的放射性元素的特征γ射线。 1989年 位于美国亚利桑那州霍普金斯山上的惠普尔10米望远镜代表了第二代大气切伦科夫望远镜。该望远镜探测到了来自蟹状星云的稳定γ射线辐射，现在它被用作为这个领域的“标准烛光”。 20世纪90年代初 大气切伦科夫望远镜发现了来自几个耀变体的高能γ射线。 1991-2000年 NASA的康普顿γ射线天文台引发了该领域的革命。它的BATSE仪器探测到了全天超过2700个的γ射线暴，表明它们是遥远星系中的巨大爆发，并证明存在两种类型的γ射线暴——长暴（持续时间超过2秒）和短暴。它携带的EGRET仪器则进行了第一个能量高于50兆电子伏的全天巡天，发现271点源，其中包括6颗脉冲星和66个耀变体。然而，有170个源无法与其他波段已知天体相对应。 1997-2003年 意大利-荷兰的BeppoSAX卫星快速、精确地确定了几个长γ射线暴的位置，使得大型地面望远镜得以进行后续的观察。这些观察证明γ射线暴发生在极为遥远的距离上。 2000年至今 第三代大气切伦科夫望远镜投入使用。它们包括美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的MILAGRO、纳米比亚的高能立体系统（HESS）、美国亚利桑那州霍普金斯山的VERITAS、澳大利亚的CANGAROO以及加那利群岛的MAGIC I和II。 [图片说明]：位于纳米比亚的高能立体系统由四架相同的望远镜组成，可以和“费米”互补。它们能探测到超高能γ射线与空气分子相互作用所产生的微弱闪光。版权：HESS。 2002年至今 欧洲空间局的国际γ射线天体物理实验室（INTEGRAL）卫星对低能γ射线源进行了光谱测量。 2004年至今 NASA的雨燕卫星每年能探测到约100个γ射线暴并能为其他快速研究设备提供精确位置。对短γ射线暴的后续观测有力地支持了它们中许多是由中子星或中子星和黑洞并合所造成的。 2007年 4月23日意大利的γ射线卫星AGILE发射升空。它带有一台灵敏度和康普顿上的EGRET类似的γ射线探测器，不过它的视场更大。 2008年 NASA的费米γ射线空间望远镜发射。它携带了有史以来地球轨道上最灵敏的γ射线探测器。“费米”很快就发现了一类新的仅有γ射线辐射的脉冲星并且观测了γ射线暴和来自活动星系的爆发。 2009年 在“费米”工作的第一年中，它探测到了257个γ射线暴和近1,500个天体——包括600多个耀变体和其他活动星系、超过50颗的脉冲星、8个球状星团、至少3个X射线双星系统以及数个超新星遗迹。不过有半数的源无法找到在其他波段上可能的对应体。“费米”还发现了数量超出预期的1千亿电子伏特以上的宇宙射线电子和正电子。根据来自γ射线的最高能光子，“费米”还为量子引力理论设定了新的限制。 爆发的耀变体 　　被称为耀变体的活动星系几乎占了“费米”在第一年中所探测到的点源的一半。天文学家认为，每个耀变体——就像其出名的“兄弟”类星体一样——拥有一个10亿倍太阳质量以上的黑洞。当物质掉入这个黑洞的时候，耀变体就会射出由接近光速运动的粒子所组成的两束反向喷流。对于耀变体这一类最明亮的活动星系，天文学家怀疑我们所看到的正好是一束对着我们射来的喷流，而当我们看类星体和其他类型的活动星系时，我们视线和它们的喷流则有很大的夹角。在小于1小时到数年的时标下，耀变体所发出的辐射会发生显著的变化。 　　没有人知道在耀变体身上到底发生了什么或γ射线是如何产生的。当这些辐射被发射出来之后，就会向我们涌来，增亮然后又减弱。但最终它会为我们带来对这些辐射产生机制的重大认识。 [图片说明]：从星系NGC 1275（图中央）中心喷涌而出的高能γ射线，它是英仙星系团的核心成员。虽然“费米”发现了很多来自NGC 1275的γ射线，但NASA先前的康普顿γ射线天文台却没有。这说明该星系中央黑洞喷出的辐射在这10年间得到了增强。颜色越明亮表示超过200兆电子伏的γ射线越多。版权：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration。 　　有“费米”参与的多波段观测的首批目标之一是位于南鱼座、距离地球15亿光年的一个耀变体PKS 2155-304。通常，它是一个暗弱、但可探测到的γ射线源。然而，当它处于爆发阶段时，例如在2006年所发生的，它可以成为天空中最亮的γ射线源。 　　在2008年8月和9月，“费米”与高能立体系统（HESS）联手。后者是一个位于纳米比亚的地面阵列，可以观测当1,000亿电子伏特的γ射线轰击地球大气所产生的级联粒子。它们一起监测了处于宁静状态的PKS 2155-304。在它以及其他耀变体爆发时，X射线和γ射线辐射会同时上升和下降。但是，当PKS 2155-304处于宁静状态的时候，这两种辐射却并没有同时发生变化——没人知道原因。 　　更为奇怪的是，PKS 2155-304的可见光会随着其γ射线辐射一起涨落。这就像是在看一个喷灯，它温度最高和最低的地方会逐步改变，但中间温度却保持不变。 　　此外，还有一个奇特的例子，位于英仙星系团中心、距离地球2.25亿光年的大质量赛弗特型活动星系NGC 1275。它同时也是全天最亮的射电源之一。 [图片说明]：NGC 1275在可见光波段上非常明亮。在这张哈勃空间望远镜所拍摄的照片中其明亮的中心区域掩盖它的超大质量黑洞。它的γ射线辐射正源自由黑洞所喷出的粒子束。版权：NASA/ESA/Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration。 　　“费米”清晰地探测到了来自这个星系的γ射线。然而，20世纪90年代NASA康普顿γ射线天文台上的一台γ射线探测器EGRET却没有。“费米”所观测到的来自这个星系的γ射线流量是EGRET探测上限的7倍。如果NGC 1275在EGRET仍处于工作状态时具有这个亮度的话，应该会被探测到。 　　这一星系能量输出的变化说明，十年前它所发出的粒子束要么不活跃，要么比现在弱得多。这一变化也为天文学家提供了其辐射区大小的线索。NGC 1275的γ射线必定来自一个直径不超过2光年的源。这意味着我们正看到的是来自这个星系中心——中央黑洞附近——而不是来自英仙星系团中高温气体的辐射。 不同以往的脉冲星 　　在更靠近我们的地方，“费米”很轻松被就发现了一类见所未见的脉冲星。脉冲星是一颗大质量恒星爆炸之后留下的一个高密度、快自转、强磁场的核心。通过观测它们周期性的射电辐射，已经发现了1,800颗左右的脉冲星。天文学家相信，这些脉冲来自从脉冲星磁极发出的灯塔状的狭窄射电波束。 　　“费米”对距今大约1万年的超新星遗迹CTA 1进行了观测，它位于仙王座，距离我们4,600光年。大约每秒钟三次，这个遗迹中的某个东西会向对地球发射一波γ射线。由此“费米”发现了第一个只在γ射线波段发射脉冲的脉冲星。 [图片说明]：沿着脉冲星磁力线（蓝色）运动的带电粒子云会产生灯塔似的γ射线。“费米”在超新星遗迹CTA 1中发现了首颗仅具有γ射线辐射的脉冲星。版权：NASA。 　　这解决了长期存在的一个科学谜题。CTA 1包含一个X射线和γ射线源，所有迹象都表明来它是一颗脉冲星，但是之前在任何波段上都没有观测到脉冲。 　　脉冲星射电波束只占其总功率的百万分之几，而其γ射线辐射的比例则高达百分之十或更多。有了这类新的脉冲星，连同“费米”探测到的其他几十颗脉冲星，科学家们现在终于看到这些天体的真正威力了。 来自远古的爆发 　　到目前为止，“费米”所取得的最令人惊讶的成果之一来自γ射线暴——被认为预示着黑洞诞生的巨大爆炸。LAT对γ射线暴GRB 080916C——一类和大质量恒星的死亡相关的爆发——的观测显示，这一爆发拥有当时所观测到的最高速喷流运动和最高能的初始辐射。多亏了随后快速跟进的地面后续观测，天文学家把它的距离定在了122亿光年。 　　与“费米”的观测相结合，天文学家可以根据它的距离来确定发射出γ射线的物质的运动速度。令人难以置信的是，位于爆发所产生的喷流中的物质运动速度达到了光速的99.9999%以上。 　　但GRB 080916C的速度纪录并没有保持多久。2009年5月，GRB 090510——一类与两颗中子星并合有关的短爆发——呈现出了甚至更高的物质运动速度。 [图片说明]：赛弗特星系PMN J0948+0022（图中央）位于六分仪座距离地球55亿光年。来自这个星系的γ射线显示，其中央黑洞驱动着一个高速运动粒子束。图中颜色越明亮表示能量超过200兆电子伏的γ射线的数量越多。版权：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration。 　　更有趣的是，来自这两类爆发的最高能光子还告诉了科学家一些有关空间泡沫状结构的信息。量子引力理论预言了这一结构，而它的目标则是统一量子力学和爱因斯坦的广义相对论。 　　根据目前的观点，相对于能量较低的光子，这一泡沫结构会推迟γ射线暴中最高能光子的到达时间。但两者的差别非常微小。花上几十亿年的时间两者的差别才能达到几秒。对于γ射线暴GRB 090510而言，一个能量为310亿电子伏特的光子在传播了70亿年之后其延迟不大于1秒。 　　这个结果排除了任何预言会存在光速对波长具有强依赖性的量子引力理论。假定光速是一个常数的爱因斯坦的相对论仍然奏效。但这一结果排除了许多量子引力理论的变体，其中也包括了一些由弦理论而建立起来的。不过，预言存在其他更微妙效应的理论仍然是可行的。爱因斯坦的狭义相对论经受住了这一考验，但比赛还没有结束。 　　费米γ射线空间望远镜将继续在发现的快车道上疾驶。它只不过刚刚为天文学家开启了未来十年的γ射线天空之旅，虽然天文学家正在为它目前所取得的成功感到兴奋不已，但兴许“费米”所能带给我们的最大科学发现将会是没人曾料想得到的。 （本文已刊载于《天文爱好者》2010年第6期）
[Astronomy 2010年3月] 扩展阅读 甚高能γ射线的天空 随着探测到许多不同的银河系内和银河系外的甚高能γ射线源，甚高能γ射线天文学已经真正意义上成为了一门观测学科。它将大幅度地推动天体物理、宇宙学和粒子天体物理的发展……

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