科研解碼:淺談伽瑪射線暴

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。

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。

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:

fig1

(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 = mc^2)。

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:

fig2

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

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6 thoughts on “科研解碼:淺談伽瑪射線暴

  1. [quote] 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]。[\quote]

    umm…呢個其實算唔算未知點解呢?大部份宇宙學學說係建基於哥白尼原則(Copernican principle),即係宇宙中冇任何一點係特別既。現時為止所有觀察實驗結果都係同呢個假設吻合,包括宇宙微波背景(CMB)。如果宇宙真係如理論咁演進既話,由isotropic既CMB開始好自然就會得出isotropic既伽瑪射線暴

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      • 宇宙學有暴脹論解釋點解宇宙係isotropic同homogeneous,亦解釋埋一開始既fluctuations點黎。當然某程度上你都可以話未證實因為我地未知暴脹點黎

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  2. […] 很多自然定律都有一個特徵,就是它們的數學表達式,都是遵從冪定律 (power law) 的。例如地震強度、萬有引力和電磁力的強度、太陽內部的核子反應過程速率、行星運動軌跡、大家比較熟悉的經濟學裡的 80 – 20 定律 (長尾理論)、我在《科研解碼:淺談伽瑪射線暴》中介紹過的電子同步幅射光譜等等,都遵守冪定律。 […]

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