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穿越时空的伽马射线

已有 1478 次阅读 2017-1-19 16:41 |个人分类:小品|系统分类:科普集锦|关键词:伽玛射线,暗物质,NASA| 暗物质, 伽玛射线

天上的星星数不清。虽然我们看到的夜空是黑暗的,那无数的星星正在不断地发出无数的光,其中只有微乎其微的光线能够到达地球。而星星发出的光也只有极少数被物质吸收。如果想像一下今天的宇宙已经有了100多亿年的历史,其中存在的光似乎是一个无法描述的浩瀚概念,连“天文数字”一词都显得苍白无力。

然而,今年11月1日,美国航空航天局(NASA)召开记者会宣布人类已经能够“看到”宇宙中全部的光,而且明确指出是宇宙创始以来“所有星星所发出过的所有的光”(the total amount of light from all of the stars that have ever shone)。

NASA采用的方法是接收来自宇宙深处的伽马射线,这些穿越了宇宙全部时空的信使不仅给我们带来所有光场的讯息,还带来了宇宙演化的历史记录,甚至还可能让我们得以窃探看不见的暗物质。


伽马射线和费米望远镜

伽马射线是上世纪初首先在镭原子的放射性实验中被发现的。科学家后来才知道那是一种能量非常高的光子,也是目前所知能量最高的光。因为其能量太高,伽马射线在介质中只能被吸收,不能像普通的光或电磁波那样发生折射和反射现象。能量比较低的伽马射线被吸收时会令原子电离产生光电效应,能量高的则会蜕变为正负电子对。它对人体有害,接触时需要用比较厚的重金属材料做保护。

除了放射性原子的衰变,伽马射线也会在大气层中因为闪电、雷雨或宇宙射线的激发产生。但其最大的来源还是天外的宇宙。好在地球的大气层是天然的屏障,来自天外的伽马射线基本上全在大气层中被吸收而不会损害地球生物的健康。

也正因为如此,观测宇宙射线中的伽马射线必须走出大气层,用高空气球或人造卫星转载专门的仪器测量。为此,NASA早在1991年便发射了一颗叫做“康普顿伽马射线观测站”的卫星,初步描绘出宇宙伽马射线来源的全景。2002年,NASA发射“费米伽马射线太空望远镜”卫星,携带更为先进的仪器取代已经失效坠毁的康普顿观测站。

“望远镜”只是一个俗称。因为伽马射线不能被反射或折射,也就不可能像望远镜那样聚焦。卫星上装载的两个探测仪都只是大面积的被动接收仪器,分别通过探测正负电子对和光电效应来辨别伽马射线,并能相当准确地还原射线的来源方向、时间和能量等参数。也正因为不需要定向聚集,它们可以同时接收大范围的信号。因此,该卫星每3小时绕行地球2周时便能将整个天幕扫描一次。这样不断地扫描的结果便能得到宇宙中几乎所有的伽马射线光源分布和它们随时间的演变。


宇宙中所有的光

自然,这个“望远镜”接收到的最亮的伽马射线来自我们地球所在的银河系,大部分产生于高能的带电宇宙射线与银河系中星际物质和光子的碰撞和作用。通过对这些伽马射线的分析可以得到那些星际物质、光和电磁场等分布的数据。

更有意思的是那些来自银河系之外遥远星空的伽马射线,从那里能够来到地球的伽马射线便少得多,带来的信息也尤其珍贵。在距离我们几十亿光年之外有着大量的星系,其中心是巨型黑洞。这些黑洞在吞噬其周围的星体物质时会向外发射以伽马射线为主的能量流。如果这个发射的方向正好对着地球,便能够被费米望远镜探测到。这样的黑洞在天文学上叫做“耀变体”(blazar)。虽然我们刚刚才接收到,这些伽马光子是在几十亿年前就已诞生,在那漫长的时间中穿越了浩瀚的距离才来到我们的门前。它们不仅仅带来了远古的信息,而且在征途上经历了宇宙几乎从初始到今天的种种变迁。

我们这个宇宙是在将近140亿年前的大爆炸中产生的。大爆炸4亿年后,早期的星球逐渐形成并开始发光。从那以后,越来越多的星球乃至星系不断地诞生和死亡,并不断地将自己的光线遍洒于宇宙空间。这些经过100多亿年间积累的光至今仍在浩茫的空间中徜徉,形成主要由可见光和紫外线构成所谓的“星系背景光”。因为地球附近星光环境的干扰,我们不可能直接观测到宇宙深处相对微弱的星系背景光。而那来自宇宙边缘耀变体的伽马射线便为我们提供了一个探测的途径。

伽马射线因为其高能量在宇宙空间几乎完全畅通无阻,所以能够来到地球附近。但它们之中的一些在途中也会偶尔与无处不在的星系背景光中的光子碰撞而衰变为一对正负电子,不再能抵达地球。NASA的研究计划锁定了150颗耀变体,长期跟踪它们向地球发射的伽马射线的强度。它们之中,距离地球比较近的耀变体的伽马射线强度较高,而那些真正处于宇宙边缘的遥远耀变体的伽马射线则需要精细测量才能辨识。这些数据的总和汇集了宇宙所有区域星系背景光的密度分布。也就是NASA所称的我们得以见识宇宙创生以来所有星星所发出过的所有的光。

(图为NASA发布的整个宇宙伽马射线源分布图,中间明亮的部分是银河系射线源。绿色标明的那些点则是这项研究中采用的150个耀变体位置。)


不仅如此,来自距离地球较近的伽马射线途中只穿过了近代宇宙所含有的背景光场,而来自遥远耀变体的射线则在那之前还经历了早期宇宙的背景光。通过对不同距离射线源数据的分析我们可以获得大爆炸后的宇宙早期星球及其发光的知识以及随时间而变的过程,为宇宙描绘出一份独特的演化历史。NASA科学家现在认为宇宙最初星球诞生的时间可能比以前所猜想的晚一些。而这些早期星球与现在的恒星也大为不同,它们主要有氢原子组成,比今天的星星更大、更热、更亮也更为短命。


暗物质

接近一个世纪以来,天文学家一直出于不同的原因怀疑宇宙中有我们看不见的物质存在。当代科学家根据现有的广义相对论计算得出的结论是我们现在所看到的星星、尘埃和气体等等只是宇宙中物质不到20%的部分,其余80%以上是尚未能观测到的所谓“暗物质”。暗物质有质量,能够影响星系的分布和运动,但本身不发光也不与光子发生作用,所以无法被人类观测到。

对暗物质的成分猜想很多,一个比较占主流的理论是它们由质量相对较大、但相互作用非常弱的某种粒子组成。这种粒子的英文名字有一个简单的缩写叫做“胆小鬼”(Weakly Interfacting Massive Particle——WIMP)。它们还有一点非常特别,就是它本身便是自己的反粒子。如果两个“胆小鬼”粒子相遇就会窝囊地自行湮灭,衰变为一对高能量的光子,即伽马射线。

如果这样发生的伽马射线不是极为罕见的话,费米卫星上的“望远镜”自然也应该能接收到其信号。的确,在对费米望远镜采集的数据分析中,科学家今年发现了一些异常、来路不明的伽马射线。但他们目前还没法确定这些信号是来自神秘的暗物质还是望远镜本身的故障。


2008年发射的费米望远镜设计寿命为5年,但希望能有10年的运行时间。目前它正值壮年,已经获得显著的新成果。而新一代的“望远镜”已经在设计之中,将能够直接观测星系背景光。更多的伽马射线探测资源也将加入对可能是暗物质射线源的研究。人类对宇宙的认识在继续推进着。



(2012年11月24日)



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