2024年3月5日。宇宙深處,某個(gè)方向,突然出現(xiàn)了一道強(qiáng)烈的X射線閃光。
它持續(xù)了大約兩分鐘。然后消失了。
正當(dāng)天文學(xué)家還沒來得及反應(yīng),大約200秒后,同一個(gè)方向,第二道閃光再次出現(xiàn)。這一次,它持續(xù)了將近四分鐘。然后,再次消失。
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捕捉到這一切的,是中國(guó)2024年1月剛剛發(fā)射升空的衛(wèi)星——愛因斯坦探針。它給這個(gè)神秘事件編了一個(gè)編號(hào):EP240305a。
消息迅速傳遍全球天文學(xué)界。
接下來幾天,世界各地的望遠(yuǎn)鏡開始聯(lián)合追蹤。X射線望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、紅外望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡,幾乎所有能調(diào)動(dòng)的設(shè)備,全部對(duì)準(zhǔn)了那個(gè)方向。
他們發(fā)現(xiàn)了X射線余輝,在接下來幾天內(nèi)逐漸衰減,然后熄滅。幾周后,射電波段的余輝也逐漸消失。
宇宙深處似乎發(fā)生了一場(chǎng)巨大的爆炸。但沒有人知道,是誰(shuí)點(diǎn)燃了導(dǎo)火索。
更奇怪的是,在所有這些觀測(cè)數(shù)據(jù)里,有一樣?xùn)|西始終缺席。
沒有伽馬射線。
要理解EP240305a為什么令人困惑,我們需要先建立一張宇宙爆炸的地圖。
因?yàn)橛钪鎻膩聿蝗鄙俦āJ聦?shí)上,宇宙是一個(gè)持續(xù)在爆炸的地方。問題在于,每一種爆炸都有自己的規(guī)則,自己的特征,自己的"簽名"。
天文學(xué)家正是通過這些簽名,來辨別每一種爆炸背后的物理機(jī)制。
當(dāng)白矮星從伴星那里吸積足夠多的氫,表面壓力和溫度達(dá)到臨界點(diǎn),就會(huì)觸發(fā)一場(chǎng)熱核爆炸。它不會(huì)摧毀白矮星,只是在表面燒掉一層。過幾年,這個(gè)過程會(huì)再次發(fā)生。普通新星是宇宙中可以反復(fù)發(fā)生的爆炸,亮度大約是太陽(yáng)的十萬(wàn)倍,聽起來很壯觀,但在宇宙爆炸的尺度上,它只能算是一場(chǎng)小型煙花。
當(dāng)恒星核心的核燃料耗盡,核心在不到一秒的時(shí)間內(nèi)坍縮,外層物質(zhì)被強(qiáng)烈沖擊波向外拋飛,整顆恒星被撕碎。在這短短幾秒內(nèi),超新星釋放出的能量,超過太陽(yáng)一百億年的總輸出。它會(huì)在所在星系中短暫發(fā)出與整個(gè)星系相當(dāng)?shù)墓饬粒缓笤趲字軆?nèi)逐漸暗淡。
超新星是宇宙中制造碳、氧、鐵等重元素的工廠。我們身體里的每一個(gè)鐵原子,都曾經(jīng)是某顆死去的恒星的一部分。
兩顆中子星在漫長(zhǎng)的相互環(huán)繞之后,終于因?yàn)橐Σㄝ椛鋼p失能量而螺旋靠近,最終合并碰撞。這種碰撞產(chǎn)生的爆炸,被稱為千新星。
2017年,人類第一次同時(shí)用引力波探測(cè)器和電磁望遠(yuǎn)鏡捕捉到一次千新星事件,證實(shí)了金、鉑、鈾等重元素正是在這類碰撞中被鍛造出來的。你手上戴的黃金戒指,它的原子誕生于某次億年前的中子星碰撞。
當(dāng)一顆恒星運(yùn)動(dòng)軌跡不幸靠近星系中心的超大質(zhì)量黑洞,潮汐力會(huì)把恒星拉成一條細(xì)線,然后撕碎,吞噬。這個(gè)過程被稱為潮汐瓦解事件,英文縮寫TDE。它不是瞬間發(fā)生的,而是一個(gè)持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的過程,就像黑洞慢慢"喝掉"一顆恒星的血。
然后是宇宙中目前已知最劇烈的爆炸:伽馬射線暴,簡(jiǎn)稱伽馬暴。
在短短幾秒到幾百秒的時(shí)間內(nèi),伽馬暴釋放出的能量,可以超過太陽(yáng)一百億年的總輸出。它是如此明亮,以至于即使發(fā)生在數(shù)十億光年之外,人類的探測(cè)器依然能清晰捕捉到。
伽馬暴分為兩種。持續(xù)時(shí)間超過兩秒的,叫長(zhǎng)伽馬暴,通常來自大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)核心坍縮形成黑洞的瞬間。持續(xù)時(shí)間不足兩秒的,叫短伽馬暴,通常來自兩顆中子星或中子星與黑洞的合并。
伽馬暴的核心特征,是一道或多道極為明亮的伽馬射線閃光,以及隨后在X射線、光學(xué)、射電波段逐漸衰減的余輝。
現(xiàn)在,回過頭來看EP240305a。
它的持續(xù)時(shí)間,符合伽馬暴。它的能量規(guī)模,符合伽馬暴。它出現(xiàn)了X射線和射電余輝,符合伽馬暴。
但它沒有伽馬射線。它不屬于上面任何一種已知爆炸。
伽馬射線是什么?它是電磁波譜中能量最高的一段。比X射線能量還高,比可見光能量高出數(shù)百萬(wàn)倍。它能穿透大多數(shù)物質(zhì),也能被高能粒子的相互作用直接產(chǎn)生。
在伽馬暴中,伽馬射線的產(chǎn)生機(jī)制,是極端相對(duì)論性噴流內(nèi)部的粒子劇烈碰撞。當(dāng)中心黑洞形成,它的吸積盤會(huì)沿兩極方向噴出以接近光速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)流,也就是噴流。噴流內(nèi)部的粒子以稍微不同的速度運(yùn)動(dòng),快的追上慢的,相互碰撞,產(chǎn)生劇烈的激波,激波把能量轉(zhuǎn)化成伽馬射線。這個(gè)過程被稱為內(nèi)激波模型。
這就是為什么伽馬射線是伽馬暴最核心的標(biāo)志。沒有相對(duì)論性噴流,就沒有伽馬射線。沒有伽馬射線,就不叫伽馬暴。
但EP240305a,有一切伽馬暴該有的東西,就是沒有伽馬射線。
這就像發(fā)現(xiàn)了一場(chǎng)規(guī)模完整的雷暴,氣象條件完全符合,雷聲、大雨、狂風(fēng)全部到位,但始終沒有一道閃電。
天文學(xué)家把EP240305a暫時(shí)命名為"類伽馬暴無伽馬射線瞬變天體"。這個(gè)名字翻譯成大白話,就是:我們不知道它是什么,但它長(zhǎng)得很像伽馬暴,只是少了最關(guān)鍵的東西。
研究團(tuán)隊(duì)在排除了潮汐瓦解事件、恒星耀發(fā)、普通X射線雙星爆發(fā)等所有常見可能之后,把注意力集中在了兩個(gè)方向上。
第一種:離軸噴流
這個(gè)解釋的核心思路是,伽馬射線并不是沒有產(chǎn)生,而是沒有射向地球。
伽馬暴的噴流,本質(zhì)上不是一場(chǎng)球形爆炸。它更像是一個(gè)極度集中的宇宙探照燈,光束角度非常窄,通常只有幾度到十幾度。只有當(dāng)噴流的軸線恰好指向地球,我們才能看到強(qiáng)烈的伽馬射線閃光。如果噴流偏了哪怕幾十度,伽馬射線就完全擦肩而過,永遠(yuǎn)到不了地球。
但噴流并不是只有伽馬射線。伽馬射線集中在極窄的軸線方向,但噴流周圍的"光暈"區(qū)域,也會(huì)產(chǎn)生X射線輻射,角度寬得多。當(dāng)噴流與視線方向存在角度偏差時(shí),我們就會(huì)看到X射線,看到射電余輝,卻看不到伽馬射線。這被稱為離軸伽馬暴,英文叫Offaxis GRB。
這個(gè)模型意味著,宇宙中可能存在大量我們從未察覺的伽馬暴。因?yàn)橹挥袊娏髡龑?duì)地球的那一部分,才會(huì)被傳統(tǒng)伽馬射線探測(cè)器捕捉到。而那些偏離方向的,全部靜悄悄地消失在宇宙背景里。愛因斯坦探針的X射線巡天能力,可能讓人類第一次系統(tǒng)性地看見這些曾經(jīng)隱形的爆炸。
第二種:窒息噴流
第二種解釋更加戲劇性。它認(rèn)為,這次事件中,噴流確實(shí)產(chǎn)生了,但它從未成功逃離恒星。
在某些大質(zhì)量恒星死亡時(shí),核心坍縮形成黑洞,吸積盤隨即產(chǎn)生噴流。噴流以極高速度向外鉆,試圖穿透恒星龐大的外層包裹。在很多成功的案例里,噴流成功突破,沖出恒星,產(chǎn)生一次完整的伽馬暴。
但有時(shí)候,恒星的外層太厚,或者噴流能量不夠強(qiáng),噴流在恒星內(nèi)部就耗盡了動(dòng)能,被困死在恒星里。這種情況被稱為窒息噴流,英文叫Choked Jet。
噴流被困死意味著什么?伽馬射線產(chǎn)生于噴流突破恒星之后的高速運(yùn)動(dòng)階段,如果噴流從未沖出去,伽馬射線自然也就不會(huì)出現(xiàn)。但噴流在恒星內(nèi)部碰撞、減速的過程,仍然會(huì)把能量傳遞給恒星外層,形成一種相對(duì)較慢、角度較寬的沖擊波。這種沖擊波最終沖出恒星,在X射線波段發(fā)出輻射,隨后在射電波段留下余輝。
這正是EP240305a顯示的特征。近年來,越來越多的天文學(xué)論文認(rèn)為,宇宙中可能存在大量失敗的伽馬暴,噴流在恒星內(nèi)部悄悄熄滅,從未被傳統(tǒng)探測(cè)手段捕捉到,而它們留下的X射線信號(hào),正是愛因斯坦探針這類新一代軟X射線望遠(yuǎn)鏡最擅長(zhǎng)搜尋的。
目前,這兩種解釋都有數(shù)據(jù)支持,也都有無法完美解釋的地方。學(xué)界尚未定論。也許EP240305a同時(shí)包含兩種機(jī)制的成分,也許它代表了一種我們還沒有理論框架去描述的全新物理過程。
這里有一個(gè)更深的問題。
EP240305a本身已經(jīng)足夠令人困惑。但更令人震動(dòng)的,是它暗示的一件事:
在愛因斯坦探針誕生之前,我們可能遺漏了大量類似的事件。
傳統(tǒng)天文學(xué)長(zhǎng)期依賴幾個(gè)主要觀測(cè)窗口。可見光是其中最古老的,人類用肉眼和望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)了幾百年。射電波段在二十世紀(jì)中葉開辟了全新視野,發(fā)現(xiàn)了脈沖星和類星體。伽馬射線探測(cè)器讓人類看見了宇宙中最劇烈的爆炸。
但這些觀測(cè)方式,都有一個(gè)共同的盲區(qū):瞬變天體。
所謂瞬變天體,是那些短暫出現(xiàn)然后迅速消失的宇宙事件。它們可能只持續(xù)幾分鐘,幾小時(shí),或者幾天。如果巡天望遠(yuǎn)鏡恰好沒有在正確的時(shí)間看向正確的方向,這些事件就像從未存在過。
愛因斯坦探針的設(shè)計(jì)目標(biāo),正是專門獵捕這類轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙閃光。它攜帶的寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡,采用龍蝦眼光學(xué)設(shè)計(jì),每約五小時(shí)就能掃描幾乎整個(gè)夜空一次。這在以往是不可想象的。傳統(tǒng)X射線望遠(yuǎn)鏡視野極窄,更像一根管子,只能盯著一個(gè)方向看。
這種能力上的差距,意味著過去幾十年里,有大量X射線瞬變事件在我們的望遠(yuǎn)鏡視野之外悄悄發(fā)生,又悄悄消失。EP240305a,很可能只是冰山的第一個(gè)露出水面的角。
宇宙從來不缺少爆炸。缺少的,是我們足夠敏銳的眼睛。
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