除了引力波，一束奇异的光射线信号也到达地球

按：本文来自知社学术圈南洋乐，原标题为《后引力波之战已经打响，神秘伽马射线来自何方？》

一个月前，引力波探测消息引爆全球，并引发持续研究讨论。在这组来自13亿年前的引力波被探测到的同时，科学家还发现一束奇异的光射线信号也到达地球。这仅仅是一个巧合，还是将引领科学界重新认识黑洞？让我们拭目以待。

| 神秘的伽马射线

2015年9月14日，几乎是在LIGO探测到两个黑洞碰撞的引力波的同时，在距离地球500公里的外太空也有另一个更晦涩的信号被发现。近轨卫星搭载的费米伽马射线空间望远镜记录了一次伽马射线爆发。但是这个伽马射线信号太微弱了，以至于NASA望远镜背后的科学家们一开始并没有注意到它。

“引力波探测器LIGO发现的是一组非常清晰的信号，几乎清晰到难以置信，而我们发现的数据要模糊得多，也仅仅是因为太靠近引力波发现的时间点才让这个数据变得有趣。” 费米望远镜的一位研究组成员Valerie Connaughton这样说。

2016年2月11日，费米望远镜的研究人员在预印论文网站arxiv.org上发表文章，描述了这次伽马射线爆发以及猜测它可能来自于LIGO探测到的同一黑洞碰撞事件。这一相关联系仅仅建立在假想层面，并且需要推翻一些根深蒂固的天文物理常识。天文学家长久以来认为黑洞周围是真空，因为它会吞噬周围的所有物质。而如果周围缺乏物质就意味着两个黑洞的融合不可能产生光及射线。

“如果没有带电粒子就没有磁场，没有磁场就没有电磁波，”普林斯顿大学天文学家Adam Burrows解释道，“这是个很清楚的系统。”

但是费米伽马射线空间望远镜探测到的伽马射线爆发意味着这一对黑洞的周围可能并不是完全真空。在费米望远镜团队发表文章的几天之后，许多天文学家纷纷就黑洞周围的物质存在提出理论支持，从而解释伽马射线伴随黑洞碰撞爆发。这些理论结合了天文学家的想象力和某些未解的历史天文事件，以解释这一次不寻常的射线现象。

（伽马射线爆发通常发生在大恒星塌陷形成黑洞过程中，两道粒子束以近光速向外喷射 。图片来源：NASA)

| 宇宙中的巧合？

伽马射线在电磁谱的最末端。在所有的射线中，它们的波长最短，频率最高，能量最大 (是紫外线的一百万倍)。

伽马射线要在极端的条件下才能产生。目前，只有两种已知的天文事件会发出伽马射线。第一种是当大质量恒星塌陷成为黑洞时，当恒星核塌陷时会剥离周围表层物质，形成强烈能量喷射，以接近光速将这些物质推入太空。这被称为“长伽马射线爆发”，约占伽马射线爆发事件的80%，通常持续20秒左右。

第二种能产生伽马射线的机理是两个非常紧密物体的融合，比如中子双星或者中子星与黑洞融合。在中子星和黑洞融合情况下，来自中子星的物质在黑洞周围形成被称为吸积盘的物质圆环。当来自吸积盘的物质落入黑洞时，沿着融合轴线产生能量的喷射，从而形成“短伽马射线爆发”，持续时间少过两秒钟。

伽马射线爆发像是宇宙中的烟火表演，以我们难以想象的规模爆发。这也为天文学家提供了观察隐秘宇宙事件的途径。

“短伽马射线爆发让我们能够观察到暗物质，” Connaughton说，“当这些物质融合的时候，会产生强烈的粒子能量喷射，从而让我们能够观察到这些平时不能观察到的物质。”

在2015年9月14日，费米伽马射线空间望远镜探测到一次短到一闪而过的事件，而这一被记录下的事件信号非常微弱，以至于研究团队并没有注意到它。后来，当得知LIGO探测到引力波时，他们回过头来重新检视数据，看费米望远镜有没有在同一时间发现有趣的信号。为了更好地搜索和解读数据，他们采用了来自Harvard-Smithsonian天文学中心的Lindy Blackburn算法。Lindy Blackburn同时也是LIGO联盟的成员之一。然后，他们发现了这次伽马射线爆发，比引力波探测到的时间晚0.4秒，持续一秒钟。它具有典型的短伽马射线爆发事件的特征，其源头能量是太阳等长时间发射能量的10000兆倍。

这次伽马射线爆发会不会是探测的错误？如果是真实的，这是否来自LIGO探测到引力波的同一事件？这在费米望远镜团队发表论文后的几周内引发了全球的热烈讨论。

费米望远镜团队估算这次伽马射线爆发来自于2000平方度的太空。和LIGO探测器的600平方度重合以后，伽马射线的来源区域缩小到200平方度的空间，这可以支持伽马射线爆发和引力波来自同一源头的猜想。而这两次事件的时间点也支持这一猜想。费米望远镜平均每10000秒 (每两小时四十七分钟) 探测到一次这种强度的伽马射线爆发，这使费米望远镜“巧合地”与LIGO同一时间探测到引力波事件的可能性变得很低 (当然，并没有低到可能性变成0)。

“这是个低概率事件，但并不是说完全不可能。” Connaughton说，“因此我们非常谨慎地看待这一事件和LIGO探测引力波的联系。这是个3sigma事件，并不是可以拍胸脯打包票的事件”。事实上，在费米望远镜探测到爆发的同一时间，另一个伽马射线探测器——欧洲宇航局的国际伽马射线天体物理实验室 (INTEGRAL) ——并没有任何发现。“在我们看来，费米望远镜探测到的伽马射线爆发和LIGO探测到的引力波源头没有什么联系”，INTEGRAL的成员Carlo Ferrigno这样说。

而费米望远镜团队对这两个事件之间的联系也看得更为谨慎，因为两个黑洞的融合并不应该发出射线。“每件事都有其规律，特别是物理”，Connaughton说。

现在物理提出了问题，或者说是一个谜题。

“产生伽马射线通常需要一些条件，比如在融合天体周围的吸积盘”，伦敦国王学院的粒子物理学家John Ellis这样说。“如果你说的是中子星的融合，这很容易解释。但是出现在黑洞周围就很不寻常了。”

费米望远镜的发现会被时间证实或者证伪。LIGO将必然会探测到更多的引力波。当新引力波出现的时候，费米望远镜团队会检视相应的伽马射线爆发记录。如果他们找到了，那么这就真的是大事件了。

| 构建“亮的”黑洞理论

同时，天文学家也在试图解释一对黑洞周围如何有足够的物质来产生伽马射线爆发。张冰，内华达大学的天文学家，提出假想：如果一个或者两个融合中的黑洞带有电荷，那么这些电荷可能足够产生磁场从而形成伽马射线爆发。但目前的共识是，黑洞不可能带有电荷。

（张冰，内华达大学的天文学家）

另一个假想来自于石溪大学天文学家Rosalba Perna。根据2月16号发表在arxiv.org的论文，她和两个同事设想了两个处于双星系统中的大质量恒星都耗尽塌陷为两个黑洞。当第二个大恒星死亡时，其外壳塌陷形成吸积盘。然后，当两个黑洞融合时，前一个黑洞穿过后一个黑洞的吸积盘，产生伽马射线爆发。

Avi Loeb，哈佛大学天文系主席，提出了第三种假设，其论文于2月15号刊登在arxiv.org上，随后被The Astrophysical Journal Letters接受发表。Loeb解释了一颗100倍太阳大小的恒星如何同时产生两个黑洞。据他设想，这颗大恒星是由两颗稍小恒星结合产生，在两颗稍小结合时产生的动量使大恒星高速旋转。当大恒星最终开始塌陷时，高速自转产生的巨大离心力使其星核像哑铃形状分裂为两块，每一块最终形成一个黑洞，而两个黑洞同时吞噬在引力下塌陷的大恒星外壳。

“这有点像在妈妈肚子里的一对双胞胎，当它们到一起的时候，最终形成了一个黑洞，”Loeb说。

Loeb的模型里两个黑洞最终融合，而这一融合是在大恒星内部发生的，这会提供很多的物质来产生伽马射线爆。事实上，Loeb推断在融合时每秒会有整个太阳大小的质量坠入新产生的黑洞中。

双黑洞碰撞  (图片来源: Mashable)

Loeb的论文只是一个开始，很多天文学家都在努力试图解释这一现象。如果这一假想能站住脚的话，天文学家将需要一种新的思考方式。这一假想的核心，一个高速旋转的巨大恒星，从来没有被观察到过。另外，当一颗星的内核高速旋转时，也通常不会分裂为哑铃状的两块，而是在旋转臂上形成扁平的盘状。接下来，Loeb和其他人都会做计算机模拟来验证是否可能出现他论文中描述的分裂情况。Loeb的一些同事也对他的假设持怀疑态度。

“我个人认为这有点扯，” Burrows说，“这好像硬搬了好几个孙悟空一起来七十二变才能解释这个可能一开始就是一个伪事件的观测结果。”

而另一些人认为Loeb的论文为天文学指出了明确的方向，不管最后这个假设是对的还是错的。

“在科学史上，每当有重大新发现时 (这次是LIGO)，总能带来让大家提出新想法的早期假想时间，” Volker Bromm，德州大学奥斯丁分校的天文学家说，“我想在这一点上Loeb的论文是很棒的，它让大家注意到下一步需要做什么，这听起来的确是很合理的。”

时间会证实费米望远镜发现的真实性。如果它最后被证实是可信的，那么将需要建构新的理论来解释两个黑洞如何产生伽马射线爆发。这些新的理论可能已经被张冰、Perna 和 Loeb提出了，也可能会是完全不同的新构想。而能够预见到的是，在LIGO大发现以后会产生和完成很多新的科学。后引力波世界的研究竞争已经开始了！

参考文献

1、After Black Holes Collide, a Puzzling Flash

2、fermi.gsfc.nasa.gov

3、arxiv.org/abs

4、arxiv.org/abs/1602.04735

5、arxiv.org/abs/1602.04542

6、arxiv.org/abs/1602.05140

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