第17章 深空里的伽马射线暴
1974年,天文学家约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse),使用波多黎各的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜,对脉冲星展开系统的搜寻,结果收获颇丰。这些脉冲星发出的信号都很有规律,只有一颗脉冲星看起来十分奇怪,它的脉冲间隔先是增大,然后又缩小,而且每过7小时45分钟就重复一次,非常有规律,这勾起了天文学家的好奇心。
这颗行为怪异的脉冲星其实是一个双星系统,两名成员皆是中子星,赫尔斯和泰勒接收到的脉冲信号就来自于其中一名成员。当这颗中子星朝向地球运动时,它的脉冲间隔便会逐步缩小,等它远离地球时,脉冲间隔又会再次增大,这就是多普勒效应。举一个我们日常生活中常见的例子,当消防车或救护车向我们开过来时,警笛声就会升高,等它走远了,警笛声又会降低。这个双星系统里的另一颗中子星,如果也发出了脉冲信号,我们却没收到,这只能说明它的光束并不是正对着我们发出来的。
找到双中子星系统真是一个超级棒的发现,因为天文学家可以根据这些脉冲信号,精准地确定两颗中子星的运动情况,并从中提取出重要信息。我们知道,这两颗中子星的质量大约都是太阳质量的1.5倍,每7.75小时彼此绕转一圈。以宇宙标准来衡量,它们的间距非常小,在它们彼此挨得最近的时候,其间距也只比太阳的半径大那么一点点,而当它们彼此相距最远时,间距会扩大到最短间距的5倍大,由此可知,它们的运动轨道一定是偏心率很大的椭圆轨道。虽然这两颗中子星距离我们2万光年(比太阳距离我们远10亿倍),我们对它们的运动情况却能了如指掌,这真令人难以置信。
而且,赫尔斯-泰勒双中子星系统向我们传达的信息还不止这些。
太阳系宁静又有序,太阳系里的一众行星,年复一年,乖乖地围绕太阳旋转。通过分析第谷的观测数据,开普勒推导出了行星的运动定律,并且在1609年将之公之于众,几十年后才由牛顿给出了解释。根据开普勒第一定律,每颗行星都沿着椭圆轨道围绕太阳运动,太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。
牛顿的引力理论能够准确地解释行星的运动,只是在水星那里遇到了一点小问题,这说明牛顿的理论还不是尽善尽美。早在19世纪中叶,人们就已注意到水星的轨道运动与理论预测有点出入,可却一直不知道问题出在哪里,直到1915年爱因斯坦提出广义相对论,才把这个小矛盾给解决了。广义相对论预言,行星的轨道并不是真正闭合的椭圆,而是会发生进动,轨道的轴缓慢地转动,使行星的运动轨迹形如一朵盛放的玫瑰(见图17-1)。不过,除非行星是在非常强大的引力场里高速运动着,否则轨道进动的幅度微不可察。在太阳系行星中,就数水星离太阳最近,它身处在太阳的引力场的深处,自然转得比其他行星快一些,轨道进动的幅度也更大一些,尽管如此,水星轨道的进动效果仍然微乎其微。
宇宙尽头的实验室
赫尔斯-泰勒双中子星系统的引力场,可比太阳系的引力场强大多了,因此,中子星轨道的进动效果也要明显许多,如此一来,两颗中子星就成了这个系统内置的精密计时器,它们也为天文学家提供了一个非常棒的实验室,可以把广义相对论拿出来,好好地测试一番。等科学家把中子星的运动轨迹画出来一看,果然不出所料,它们的轨道与牛顿的理论预测不太一致,却与广义相对论的预测完全相符。这很好地证明了广义相对论是正确的,同时也是广义相对论取得的又一重要成就,不过,由于人们在很多年前就已发现水星轨道的进动,所以这件事在当时并没有引起多大的轰动。
不断收缩的轨道
尽管如此,后面却还有更激动人心的事呢。经过精密测量,赫尔斯-泰勒双中子星系统的轨道周期目前是7.75小时,但这个值每年会减少76.5微秒(注:微秒是时间单位,1微秒=10-6 秒。——译者注)。
广义相对论再次给出了解释:当两颗中子星彼此绕转时,它们会发出引力波,这些引力波带走一部分动能,使它们的运动轨道逐渐收缩。
由广义相对论推算的轨道周期减小的速度,与观测结果完全一致。所以,早在科学家用LIGO直接探测到引力波信号前几十年,这个奇异的天体系统就已经向我们证实了引力波的存在。1993年,赫尔斯和泰勒因为发现这个双中子星系统并对其展开分析而获得了诺贝尔物理学奖。
两颗中子星因为发出引力波,损失了轨道的能量,它们的运动轨道每年缩小3米,大约再过3亿年,它们就会撞到一起,结果肯定十分惨烈。
过去的爆炸
1963年,美国、苏联和英国签署了《禁止核试验条约》。为了监测签约国有无违反条约的行为,美国在1967年一连发射了多颗卫星。这些卫星个个携带着伽马射线探测器,因为哪里有核爆炸,哪里就会出现伽马射线,然后就会被卫星探测到。卫星上天以后,总是时不时地探到伽马射线一闪而逝。这些信号一出现,美国就立即开始调查,不过没过多久,一切就都真相大白了,这些伽马射线暴并不是什么不正当的核武器试爆产生的,而是来自宇宙深处。等到1973年,这些伽马射线暴已不再是国家机密,天文学家也终于有机会来仔细地探查它们的成因了。伽马射线暴通常只持续几秒钟,想要解开它的秘密可是一项不小的挑战。要想破解成功,我们需要在伽马射线暴出现以后,迅速地部署望远镜来观测它的余晖。我们知道,宇宙中有一些最暴烈的灾难性事件能够产生伽马射线暴,这些事件虽然不常见,却能释放出巨大的能量,即使发生在很远的地方,我们也能探测到它们。
根据信号持续的时间长短,我们一般把伽马射线暴分为两大类:大多数信号只持续几秒钟,被称为长暴;另一类是短暴,持续时间还不足两秒。
紧盯源头
天文学家已经知道了短伽马射线暴是怎么产生的。2013年6月3日,美国宇航局的雨燕卫星(见图17-2)探测到一个仅仅持续了0.1秒的伽马射线暴,9天后,哈勃空间望远镜开始搜寻它的源头。“哈勃”追踪到这个伽马射线暴来自一个遥远的星系,这个星系距离我们40亿光年,在产生伽马射线暴的事件发生时,地球才刚刚形成。
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