后引力波之戰已經(jīng)打響，神秘伽馬射線(xiàn)來(lái)自何方？

在探測到來(lái)自13億年前的引力波的同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現一束奇異的光射線(xiàn)信號也到達地球。

一個(gè)月前，引力波探測消息引爆全球，并引發(fā)持續研究討論。在這組來(lái)自13億年前的引力波被探測到的同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現一束奇異的光射線(xiàn)信號也到達地球。這僅僅是一個(gè)巧合，還是將引領(lǐng)科學(xué)界重新認識黑洞？讓我們拭目以待。

神秘的伽馬射線(xiàn)

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)更晦澀的信號被發(fā)現。近軌衛星搭載的費米伽馬射線(xiàn)空間望遠鏡記錄了一次伽馬射線(xiàn)爆發(fā)。但是這個(gè)伽馬射線(xiàn)信號太微弱了，以至于NASA望遠鏡背后的科學(xué)家們一開(kāi)始并沒(méi)有注意到它。

“引力波探測器LIGO發(fā)現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)現的數據要模糊得多，也僅僅是因為太靠近引力波發(fā)現的時(shí)間點(diǎn)才讓這個(gè)數據變得有趣。” 費米望遠鏡的一位研究組成員Valerie Connaughton這樣說(shuō)。

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(xiàn)爆發(fā)以及猜測它可能來(lái)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(xué)家長(cháng)久以來(lái)認為黑洞周?chē)钦婵?，因為它?huì )吞噬周?chē)乃形镔|(zhì)。而如果周?chē)狈ξ镔|(zhì)就意味著(zhù)兩個(gè)黑洞的融合不可能產(chǎn)生光及射線(xiàn)。

“如果沒(méi)有帶電粒子就沒(méi)有磁場(chǎng)，沒(méi)有磁場(chǎng)就沒(méi)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。”

但是費米伽馬射線(xiàn)空間望遠鏡探測到的伽馬射線(xiàn)爆發(fā)意味著(zhù)這一對黑洞的周?chē)赡懿⒉皇峭耆婵?。在費米望遠鏡團隊發(fā)表文章的幾天之后，許多天文學(xué)家紛紛就黑洞周?chē)奈镔|(zhì)存在提出理論支持，從而解釋伽馬射線(xiàn)伴隨黑洞碰撞爆發(fā)。這些理論結合了天文學(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(xiàn)現象。

（伽馬射線(xiàn)爆發(fā)通常發(fā)生在大恒星塌陷形成黑洞過(guò)程中，兩道粒子束以近光速向外噴射 。)

宇宙中的巧合？

伽馬射線(xiàn)在電磁譜的最末端。在所有的射線(xiàn)中，它們的波長(cháng)最短，頻率最高，能量最大 (是紫外線(xiàn)的一百萬(wàn)倍)。

伽馬射線(xiàn)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(xiàn)。第一種是當大質(zhì)量恒星塌陷成為黑洞時(shí)，當恒星核塌陷時(shí)會(huì )剝離周?chē)韺游镔|(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(chēng)為“長(cháng)伽馬射線(xiàn)爆發(fā)”，約占伽馬射線(xiàn)爆發(fā)事件的80%，通常持續20秒左右。

第二種能產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)的機理是兩個(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(lái)自中子星的物質(zhì)在黑洞周?chē)纬杀环Q(chēng)為吸積盤(pán)的物質(zhì)圓環(huán)。當來(lái)自吸積盤(pán)的物質(zhì)落入黑洞時(shí)，沿著(zhù)融合軸線(xiàn)產(chǎn)生能量的噴射，從而形成“短伽馬射線(xiàn)爆發(fā)”，持續時(shí)間少過(guò)兩秒鐘。

伽馬射線(xiàn)爆發(fā)像是宇宙中的煙火表演，以我們難以想象的規模爆發(fā)。這也為天文學(xué)家提供了觀(guān)察隱秘宇宙事件的途徑。

“短伽馬射線(xiàn)爆發(fā)讓我們能夠觀(guān)察到暗物質(zhì)，” Connaughton說(shuō)，“當這些物質(zhì)融合的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生強烈的粒子能量噴射，從而讓我們能夠觀(guān)察到這些平時(shí)不能觀(guān)察到的物質(zhì)。”

在2015年9月14日，費米伽馬射線(xiàn)空間望遠鏡探測到一次短到一閃而過(guò)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(méi)有注意到它。后來(lái)，當得知LIGO探測到引力波時(shí)，他們回過(guò)頭來(lái)重新檢視數據，看費米望遠鏡有沒(méi)有在同一時(shí)間發(fā)現有趣的信號。為了更好地搜索和解讀數據，他們采用了來(lái)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)現了這次伽馬射線(xiàn)爆發(fā)，比引力波探測到的時(shí)間晚0.4秒，持續一秒鐘。它具有典型的短伽馬射線(xiàn)爆發(fā)事件的特征，其源頭能量是太陽(yáng)等長(cháng)時(shí)間發(fā)射能量的10000兆倍。

這次伽馬射線(xiàn)爆發(fā)會(huì )不會(huì )是探測的錯誤？如果是真實(shí)的，這是否來(lái)自L(fǎng)IGO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(xiàn)爆發(fā)來(lái)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(xiàn)的來(lái)源區域縮小到200平方度的空間，這可以支持伽馬射線(xiàn)爆發(fā)和引力波來(lái)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。費米望遠鏡平均每10000秒 (每?jì)尚r(shí)四十七分鐘) 探測到一次這種強度的伽馬射線(xiàn)爆發(fā)，這使費米望遠鏡“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 (當然，并沒(méi)有低到可能性變成0)。

“這是個(gè)低概率事件，但并不是說(shuō)完全不可能。” Connaughton說(shuō)，“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(gè)3sigma事件，并不是可以拍胸脯打包票的事件”。事實(shí)上，在費米望遠鏡探測到爆發(fā)的同一時(shí)間，另一個(gè)伽馬射線(xiàn)探測器——歐洲宇航局的國際伽馬射線(xiàn)天體物理實(shí)驗室 (INTEGRAL) ——并沒(méi)有任何發(fā)現。“在我們看來(lái)，費米望遠鏡探測到的伽馬射線(xiàn)爆發(fā)和LIGO探測到的引力波源頭沒(méi)有什么聯(lián)系”，INTEGRAL的成員Carlo Ferrigno這樣說(shuō)。

而費米望遠鏡團隊對這兩個(gè)事件之間的聯(lián)系也看得更為謹慎，因為兩個(gè)黑洞的融合并不應該發(fā)出射線(xiàn)。“每件事都有其規律，特別是物理”，Connaughton說(shuō)。

現在物理提出了問(wèn)題，或者說(shuō)是一個(gè)謎題。

“產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)通常需要一些條件，比如在融合天體周?chē)奈e盤(pán)”，倫敦國王學(xué)院的粒子物理學(xué)家John Ellis這樣說(shuō)。“如果你說(shuō)的是中子星的融合，這很容易解釋。但是出現在黑洞周?chē)秃懿粚こＡ恕?rdquo;

費米望遠鏡的發(fā)現會(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。當新引力波出現的時(shí)候，費米望遠鏡團隊會(huì )檢視相應的伽馬射線(xiàn)爆發(fā)記錄。如果他們找到了，那么這就真的是大事件了。

構建“亮的”黑洞理論

同時(shí)，天文學(xué)家也在試圖解釋一對黑洞周?chē)绾斡凶銐虻奈镔|(zhì)來(lái)產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)爆發(fā)。張冰，內華達大學(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(chǎng)從而形成伽馬射線(xiàn)爆發(fā)。但目前的共識是，黑洞不可能帶有電荷。

（張冰，內華達大學(xué)的天文學(xué)家）

另一個(gè)假想來(lái)自于石溪大學(xué)天文學(xué)家Rosalba Perna。根據2月16號發(fā)表在arxiv.org的論文，她和兩個(gè)同事設想了兩個(gè)處于雙星系統中的大質(zhì)量恒星都耗盡塌陷為兩個(gè)黑洞。當第二個(gè)大恒星死亡時(shí)，其外殼塌陷形成吸積盤(pán)。然后，當兩個(gè)黑洞融合時(shí)，前一個(gè)黑洞穿過(guò)后一個(gè)黑洞的吸積盤(pán)，產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)爆發(fā)。

Avi Loeb，哈佛大學(xué)天文系主席，提出了第三種假設，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(yáng)大小的恒星如何同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)黑洞。據他設想，這顆大恒星是由兩顆稍小恒星結合產(chǎn)生，在兩顆稍小結合時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)量使大恒星高速旋轉。當大恒星最終開(kāi)始塌陷時(shí)，高速自轉產(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雙胞胎，當它們到一起的時(shí)候，最終形成了一個(gè)黑洞，”Loeb說(shuō)。

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部發(fā)生的，這會(huì )提供很多的物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)爆。事實(shí)上，Loeb推斷在融合時(shí)每秒會(huì )有整個(gè)太陽(yáng)大小的質(zhì)量墜入新產(chǎn)生的黑洞中。

雙黑洞碰撞  (圖片來(lái)源: Mashable)

Loeb的論文只是一個(gè)開(kāi)始，很多天文學(xué)家都在努力試圖解釋這一現象。如果這一假想能站住腳的話(huà)，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)高速旋轉的巨大恒星，從來(lái)沒(méi)有被觀(guān)察到過(guò)。另外，當一顆星的內核高速旋轉時(shí)，也通常不會(huì )分裂為啞鈴狀的兩塊，而是在旋轉臂上形成扁平的盤(pán)狀。接下來(lái)，Loeb和其他人都會(huì )做計算機模擬來(lái)驗證是否可能出現他論文中描述的分裂情況。Loeb的一些同事也對他的假設持懷疑態(tài)度。

“我個(gè)人認為這有點(diǎn)扯，” Burrows說(shuō)，“這好像硬搬了好幾個(gè)孫悟空一起來(lái)七十二變才能解釋這個(gè)可能一開(kāi)始就是一個(gè)偽事件的觀(guān)測結果。”

而另一些人認為L(cháng)oeb的論文為天文學(xué)指出了明確的方向，不管最后這個(gè)假設是對的還是錯的。

“在科學(xué)史上，每當有重大新發(fā)現時(shí) (這次是LIGO)，總能帶來(lái)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(shuō)，“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(tīng)起來(lái)的確是很合理的。”

時(shí)間會(huì )證實(shí)費米望遠鏡發(fā)現的真實(shí)性。如果它最后被證實(shí)是可信的，那么將需要建構新的理論來(lái)解釋兩個(gè)黑洞如何產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)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 )是完全不同的新構想。而能夠預見(jiàn)到的是，在LIGO大發(fā)現以后會(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(kāi)始了！

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！