立場新聞 Stand News

科研解碼:淺談伽瑪射線暴

2015/5/17 — 9:33

一直有朋友問我可否寫我自己的研究題目。趁著剛寫好一篇論文,現在往布拉格開會的巴士上,就嘗試簡單的寫一寫。

我做的研究題目是伽瑪射線暴 (gamma-ray burst)。什麼是伽瑪射線暴?簡單地說,就是一種會突然放出伽瑪射線的天體,因為其爆發時間很短,一般從零點幾秒到幾百秒不等 (也有一些長達幾十分鐘的),所以叫做伽瑪射線「暴」。

宇宙中存在非常多種會在各種波段「發光」的天體。有些會放出射電電波(即收音機頻率的非常低能量的電波),也有主要在紅外、可見光、X 光波段等較高能量發光的天體。例如我們的太陽,就是一種主要在可見光波段發光的天體,所以地球上的生物才會對可見光最敏感。我的專長是高能量天體物理學之 中,再比較高能量的伽瑪射線天體物理學,專門研究能量比 X 光更高的伽瑪射線源。

廣告

天文學家在 1967 年首次探測到伽瑪射線暴1。當時正值美蘇軍備競賽,美國發射了很多探測伽瑪射線的人造衛星,看看蘇聯有沒有進行核試。結果,其中一個人造衛星探測到不明的伽瑪射線爆發現象, 令美國政府以為是蘇聯的核試。可是經過再三定位後,卻發現這些伽瑪射線來源方向不是蘇聯、也不是從地球上任何一個地方而來,而是從外太空而來!

其實,地球無時無刻都正受到各種極高能量的宇宙射線「攻擊」,其中有 X 光、伽瑪射線、各種高能量粒子等等。不過,由於地球有大氣層和磁場保護,這些幅射是不能到達地面的。亦因此,地球才得以孕育出生命。所以,只有在大氣層外 的人造衛星,才能探測到這些來自遙遠天體的高能量幅射。

廣告

從發現第一個伽瑪射線暴源以來,天文學家已經研究了這種天文現象將近 50 年了。可是,伽瑪射線暴仍然是天文學其中一個最神祕的未解之謎。我們對於伽瑪射線暴的了解,到今時今日依然不多:

一、我們觀察到它們來源的方向是「各向同性的」 (isotropic, 即不是來自宇宙特定某個方向)2,3,4

二、我們發現它們的爆發時間長度,大致可以分為兩個類別:長伽瑪射線暴 (兩秒以上) 和短伽瑪射線暴(兩秒以下)3

三、透過觀察它們的可見光「餘輝」(afterglow, 在上世紀 90 年代首次發現5,6伽瑪射線暴在放出伽瑪射線後也會放出可見光),天文學家就可以量度它們的宇宙紅移。紅移數值越高,表示該天體離地球越遠,也代表它們是在越久遠的時候爆發 的,因為伽瑪射線需要更多的時間走過更長的距離才能到達地球。我們發現,伽瑪射線暴距離我們非常非常遠,從約 1 億 4 千萬光年(紅移 = 0.01)到 3 千 5 百億光年(紅移 = 10)都有,即大約爆發於 1.5 億年前到 133 億年前。

[有物理底的讀者會發現,上面所講的距離與時間並不遵守簡單的公式「距離 = 光速 x 時間」。這是因為宇宙膨脹,在計算距離和時間時需要用到廣義相對論的宇宙模型去修改]

我們的宇宙只有 135 億歲。如果把 135 億年濃縮到 100 年的話,透過研究伽瑪射線暴就可以知道宇宙只有 3 歲時的模樣,比其他所有觀察到的天體都要早、都要遠!

四、這是我的研究重點,就是伽瑪射線暴的伽瑪射線光譜特徵。我們發現差不多所有伽瑪射線暴的光譜,在幾百個 keV (千電子伏特,高能天體物理一個常用的能量單位) 有個峰值,如下圖所示:

(我忘記了加標籤:縱軸是 \nu F_\nu (energy / area / time),橫軸是能量或頻率。Both in log scale and arbitrary units. 下一幅圖都一樣。)

可是直到今天,天文學家仍未有定論:究竟是什麼過程製造出這個光譜的?換句話說,我們仍然未知道,究竟伽瑪射線暴是什麼東西?其中的物理過程是什麼?

天文學家希望用物理學當中基本的幅射過程去解釋觀察到的現象。例如我們的太陽發射的可見光,就是所謂的黑體幅射 (blackbody radiation)。在物理學中,黑體幅射是「熱的」(thermal),意思即是該物體的幅射表面處於熱平衡狀態;再簡單一點說,就是太陽的表面溫度 是均衡的。

有熱的幅射過程,當然也會有一些「非熱的」(non-thermal)  幅射過程。例如一顆光子可以被帶電粒子(例如電子)散射,這叫做康普頓幅射 (Compton radiation) ;一顆電子也可以在磁場之中旋轉,並以幅射的方式流失能量,我們叫做同步幅射 (synchrotron radiation) ;也可以是正反物質互相碰撞湮滅時把質量全部變成能量釋放出去(即 E = mc2 )。

在 20 紀 80 年代,一些天文學家提出了所謂的「火球」模型7,8,9,10,11,12,13 (“fireball” model)。由於伽瑪射線暴的時間很短,而且同一個源只會爆發一次,所以天文界普遍認為它們是高密度、高質量恆星死亡爆炸變成黑洞引起的。當恆星爆炸變 成了黑洞後,強大的引力就會將爆炸時拋出去的物質吸回來。這些物質會環繞黑洞旋轉,以極高速和極高溫落入黑洞。而根據角動量守恆定律,在這個旋轉的物質盤 的兩極就會形成兩道方向相反的噴流,把一部分物質(包含電子和各種粒子)以非常接近光速發射出去。這些一團團被噴射出去的物質,就是所謂的「火球」了。

可以想像,每個火球的速度都不同。當速度較快的火球撞上前面速度比較慢的火球時,就會在物質團裡產生衝擊波。其中一個主流解釋伽瑪射線暴光譜的理論就是說,衝撃波會使火球中的電子加速,這些得到能量的電子在火球的磁場中旋轉,把這些動能轉變成同步幅射。換句話說,主流解釋是伽瑪射線暴的光譜是同步幅 射產生的。

我的上一篇論文中14,主要探討這種同步幅射的可行性。我們發現,同步幅射的確可以解釋一些伽瑪射線暴的光譜,可是需要在一些特別條件下才可以:(1) 有時候需要一個額外的黑體幅射;(2) 有時候需要一個衰變的磁場 (這是合理的猜測);(3) 某些來自完全不同物理過程的物理參數需要經過精密微調。

其實在千禧年左右,很多人15,16,17,18已經發現,無論是同步幅射還是黑體幅射,都不能簡單地描述伽瑪射線暴的光譜,因為同步幅射的光譜太闊、黑體幅射的卻又太窄,如下圖:

在我即將發表的論文中,我們證明絕大部分的伽瑪射線暴光譜都不能夠以同步幅射解釋。換句話說,即使在火球之中同步幅射是存在的,它不會是唯一一種幅射過程。我們發現,在這情況下,同步幅射大約佔光譜峰值能量的 30% 至 70%。

除了同步幅射和簡單的黑體幅射,也有很多人嘗試用其他幅射過程去解釋伽瑪射線暴的光譜,例如用相對論性幾何原理修改過的黑體幅射、反康普頓散射、強子碰撞幅射等等。可是這些理論涉及的數學都比較複雜,現階段只能以電腦模擬的結果去與觀測結果間接比較。

我在我的科普文章中不斷強調,科學是一門「找錯誤」的專業。透過找出錯誤,我們才得以改進知識,這也是人類文明進步的主因。我的研究題目是一個好例 子,經過幾十年的研究,本來以為同步幅射能夠解釋伽瑪射線暴光譜,但新的天文望遠鏡的觀測結果卻不斷推翻科學家長久以來的解釋。

可是,這並不等於我們一無所知。相反地,我們知道了如何更加謹慎地去解釋大自然的各種現象、如何去發問更精確的問題、如果去得到更精確的解答。我見 過有些人,他們認為科學是自大和驕傲的。相反地,在科學之中,我看到的是客觀和謙虛。因為在科學中,我們必須承認無知的價值。勇於面對無知、勇於發問,才 是增長知識和智慧的方法。

延伸閱讀:

無知的價值》— 余海峯

論人、論學問》— 余海峯

引用文獻:

  1. Klebesadel, R. W., Strong, I. B., & Olson, R. A. 1973, ApJ, 182, L85
  2. Briggs, M. S., Paciesas, W. S., Pendleton, G. N., et al. 1996, ApJ, 459, 40
  3. Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendleton, G. N., et al. 1994, ApJ, 422, 659
  4. Tegmark, M., Hartmann, D. H., Briggs, M. S., & Meegan, C. A. 1996, ApJ, 468, 214
  5. Metzger, M. R., Djorgovski, S. G., Kulkarni, S. R., et al. 1997, Nature, 387, 878
  6. Waxman, E. 1997, ApJ, 489, L33
  7. Goodman, J. 1986, ApJ, 308, L47
  8. Meszaros, P., Laguna, P., & Rees, M. J. 1993, ApJ, 415, 181
  9. Meszaros, P. & Rees, M. J. 1993, ApJ, 418, L59
  10. Rees, M. J. & Meszaros, P. 1992, MNRAS, 258, 41P
  11. Rees, M. J. & Meszaros, P. 1994, ApJ, 430, L93
  12. Tavani, M. 1996, ApJ, 466, 768
  13. Piran, T. 1999, Phys. Rep., 314, 575
  14. Yu, H.-F., Greiner, J., van Eerten, H., et al. 2015, A&A, 573, A81
  15. Katz, J. I. 1994, ApJ, 432, L107
  16. Preece, R. D., Briggs, M. S., Mallozzi, R. S., et al. 1998, ApJ, 506, L23
  17. Preece, R. D., Briggs, M. S., Giblin, T. W., et al. 2002, ApJ, 581, 1248
  18. Tavani, M. 1995, Ap&SS, 231, 181

封面圖片來源:NASA

原刊於作者博客

發表意見