观察宇宙的新视角——伽玛射线天文学

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★前言：

天文学作为人类文明诞生最早的自然科学之一，不仅对人类早期的政治、社会、宗教、农业造成了深远的影响，而且还深刻地决定了人们的宇宙观。可以说，如果把人类文明曙光诞生之初的黎明时期第一次仰望星空的行为看做发现了地上的一颗果实，那么人类文明之后的所有科技人文的发展进步就可以理解为弯腰去捡这颗果实。

传统的天文学，无论是古代用简易的天文观象台目测，还是近现代使用光学望远镜观测，这些观测一般都是采用可见光波段来进行的，这可以让人们观测到很多常规天体，包括太阳和太阳系内的行星、小行星、彗星，以及太阳系外的其它恒星、星系等。但是，随着近现代如射电望远镜等非可见光频段望眼镜的发明以及射电天文学和高能天体物理学的诞生，通过例如射电、微波、远红外、远紫外、X射线、伽马射线等波段的电磁辐射来进行观测，使得人们不仅可以看到在可见光波段不可见的天体，例如中子星（包括脉冲星）、不发光的黑洞甚至是暗物质组成的天体，并且还可以让人们更加接近真实的宇宙及藏在其后的普遍规律和真题，从而让人类更好地了解我们所存在的宇宙世界以及人类在这世界中的位置。

宇宙微波背景辐射图

★正文：

▲伽玛射线天文学及其研究方法

和传统天文学所使用的望远镜（如可见光望远镜和红外线望远镜）不同的是，伽马射线天文学所使用的望远镜不仅没有镜面，而且这些望远镜必须在大气层外的太空中进行观测。前者是因为伽玛射线光子可以轻易地穿透镜面，使得镜面无法有效地汇聚伽马射线光子；而后者则是因为地球的大气层有效地阻挡了伽玛射线光子使其难以到达地面观测点。

因此，美国航空航天局（NASA）研制并发射了费米太空望远镜，其旨在研究伽马射线的天体物理源以及产生这种高能量射线的物理过程。费米太空望远镜主要由两个部分组成：伽马射线暴检测器（GBM）以及大面积望远镜（LAT），其主要观测设备为后者。最初，大面积望远镜使用来观测能量在0.1~100千兆电子伏特之间的光子的，其工作原理是将入射伽马光子转化成电子-正电子对，之后再通过检测这些例子的性质，如粒子的能量和其在仪器内部的运行轨迹等，使系统能够重建源伽马光子的能量和入射方向。该望远镜目前所使用的观测模式能够每三小时更新一次全天图像，并且能达到非常高的精度和角分辨率，而且可以检测到强度非常低的射线源并对其进行精确定位。

费米太空望远镜

对于能级超过费米大面积望远镜可观测能级上限的高能天体物理现象，可以使用大气切伦科夫望远镜来进行观测。这种望远镜是建立在地面上并以大气作为探测媒介来进行观测的。其原理为：来自太空的伽马射线在与大气上层相互作用后，会产生一系列次级粒子，而这些粒子的速度要比光在空气中的传播速度更快。在这个相互作用的过程中，会产生快速闪烁的可见光（主要为蓝光），这就是切伦科夫光。并且大气切伦科夫望远镜拥有巨大的镜片以及非常快速、灵敏的电子器件，因此它可以探测到这种在大气层中产生的光。

大气切伦科夫望远镜

通常，科学家们会在不同的位置部署多个大气切伦科夫望远镜来观测同一个观测信号，这样就可以对每一个光子都进行最为精确的分析。虽然切伦科夫望远镜拥有极高的灵敏度，可以捕获到非常微弱的光子流，但是，由于CTA的视野非常窄，一次只能观测非常小的一块天空。因此，通常在确定某一小片天空区域内有较高可能出现高能射线源时，科学家们才会用切伦科夫望远镜来观测这片区域。

最近，工程师们通过对费米太空望远镜的数据分析系统进行升级，将大面积望远镜的性能发挥到了极致，这样就弥补了费米大面积望远镜最敏感的能量范围和切伦科夫望远镜探测的能量范围之间的空白区域，不仅可以探索原本未知的领域，还可以为利用这两种望远镜进行联合观测奠定了基础。

▲联合观测的近期成果

近期，科学家们通过使用费米太空望远镜和切伦科夫望远镜来进行联合观测，经过多年的观测和对系统的多次升级，先后得到了四份费米大面积望远镜伽马射线源表，其中第二份记录中共有360个高能量的伽马射线源，其中有57个是新发现的，这些射线源拥有着难以想象的强大的能量。之后的第三份记录中列出的是全天能量高于10千兆电子伏特的伽马射线源——1556个射线源中有214个是新发现的。将这两份表结合起来，就得到了目前最完整的高能伽马射线源表。

伽玛射线天图

在这最新的观测记录中，科学家门发现其中约有90%来自银河系外的射线源，另约有10%来自银河系内的射线源。

▼银河系外的射线源

在这些被收集并记录的来自银河系外的射线源中，有80%都对应着遥远星系中的超大质量黑洞，由于遥远的距离，我们所观测到的信息都是100亿年前的（目前估计宇宙年龄约138亿年）。目前的理论认为，通常超大质量黑洞周围会围绕着巨大的吸积盘，当其中的物质落入黑洞的时候，就会发射出高能粒子喷流和辐射。当这种喷流直指地球时，这样的天体就被叫做“耀变体”。

耀变体的辐射覆盖整个电磁波谱，但不同波段的辐射机制是不一样的。例如，在高能范围内，有一类被多次观测到的耀变体——蝎虎座BL类，其发出的辐射在电磁波谱上有两个峰值：一个接近X射线，另一个接近100千兆电子伏特。其中，接近X射线的辐射峰值是由同步辐射产生的——即电子在磁场中运动时会改变方向并发出光子。另一个能量非常高的辐射峰值是由于逆康普顿效应——即光子与电子相互作用，获得更高的能量。并且，科学家们认为这种耀变体的两个发射峰值是息息相关的——电子通过同步辐射产生光子，而这些光子正是在与产生它们的电子发生相互作用后，能量变得更高。

同步辐射和逆康普顿效应原理示意图

除此之外，还有一种能量较低的耀变体，叫做平谱射电类星体（FSRQ）。这种耀变体主要常见于能量在1千兆电子伏特左右的范围内，而在更高的能量范围内则相对罕见。研究人员发现这种耀变体在可见光波段发射的谱线较宽。这些谱线是较冷的物质落入高速旋转的黑洞时产生的，多普勒效应导致谱线变宽。而之所以科学家们没有观测到这类耀变体发出的高能伽马光子，是因为这些高能伽马光子通过粒子对产生效应（光子转变成电子-正电子对）被吸收了。

与此同时，科学家们还发现了其他的一些伽马射线源，叫做射电星系。这些星系在射电波段上发出的辐射很强，虽然它们的粒子喷流并没有指向地球，但是由于它们离地球的距离相对较近（约有几亿光年），因此科学家们还是能够观测到它们的喷流。

▼银河系内的射线源

那些来自银河系内天体的伽马射线源大多数对应着超新星遗迹或者是被称为脉冲星风云的天体。

对前者，目前的理论认为，质量超过8倍太阳的恒星会以超新星爆发的形式结束自己的生命历程，在这种极端的爆炸中产生的冲击波会与周围的星际介质发生相互作用，导致粒子加速，进而产生辐射。其中的物理过程的参与者不仅包括带负电荷的粒子，例如电子，还有可能包括带正电荷的粒子，例如质子。

超新星爆发示意图

对于后者，目前的理论认为，在一定的条件下，超星星爆发会产生脉冲星，即高速旋转的中子星，它们的质量为太阳的1~2.5倍，但其半径只有10千米左右。这种致密的天体不仅会自转，还会向天体的某一方向发出辐射，这些辐射会在周围的星际介质中产生伽马光子，从而形成脉冲星风云。

脉冲星（高速旋转的中子星）

同样，科学家们也可以利用在费米大面积望远镜合作项目中的观测仪器的角分辨率来研究伽马射线源。只要射线源离地球较近或者辐射强度极高，就可以分辨出它的结构，例如天鹅座中的蚕茧星云，长约200光年，是银河系里恒星形成最快的地方，已发现了多个脉冲星和其它高能射线源。

天鹅座蚕茧星云

▲伽马射线天文学的未来

在新观测到的射线源中，大约有10%是科学家们暂时还无法分类的，在这些射线源中有的可能是以前没有观测到的一些现象所产生的。很有可能在这些未知的射线源中就隐藏着暗物质存在的证据。在粒子物理学的一个模型中，预言了暗物质粒子会湮灭并释放出光子，而这些光子的能量就在费米大面积望远镜的观测范围之内。目前的观测和理论认为，在一些恒星数量很少的暗星系里，可能存在非常多的暗物质，在这种情况下，暗物质粒子会有很高的湮灭率，产生非常强的伽马射线。