伽马射线,穿越时空?

天上的星星数不清 。 虽然我们看到的夜空是黑暗的,那无数的星星正在不断地发出无数的光,其中只有微乎其微的光线能够到达地球 。 而星星发出的光也只有极少数被物质吸收 。 如果想像一下今天的宇宙已经有了100多亿年的历史,其中存在的光似乎是一个无法描述的浩瀚概念,连“天文数字”一词都显得苍白无力 。

然而,今年11月1日,美国航空航天局(NASA)召开采访人员会宣布人类已经能够“看到”宇宙中全部的光,而且明确指出是宇宙创始以来“所有星星所发出过的所有的光”(the total amount of light from all of the stars that have ever shone) 。
NASA采用的方法是接收来自宇宙深处的伽马射线,这些穿越了宇宙全部时空的信使不仅给我们带来所有光场的讯息,还带来了宇宙演化的历史记录,甚至还可能让我们得以窃探看不见的暗物质 。
伽马射线和费米望远镜
伽马射线是上世纪初首先在镭原子的放射性实验中被发现的 。 科学家后来才知道那是一种能量非常高的光子,也是目前所知能量最高的光 。 因为其能量太高,伽马射线在介质中只能被吸收,不能像普通的光或电磁波那样发生折射和反射现象 。 能量比较低的伽马射线被吸收时会令原子电离产生光电效应,能量高的则会蜕变为正负电子对 。 它对人体有害,接触时需要用比较厚的重金属材料做保护 。
除了放射性原子的衰变,伽马射线也会在大气层中因为闪电、雷雨或宇宙射线的激发产生 。 但其最大的来源还是天外的宇宙 。 好在地球的大气层是天然的屏障,来自天外的伽马射线基本上全在大气层中被吸收而不会损害地球生物的健康 。
也正因为如此,观测宇宙射线中的伽马射线必须走出大气层,用高空气球或人造卫星转载专门的仪器测量 。 为此,NASA早在1991年便发射了一颗叫做“康普顿伽马射线观测站”的卫星,初步描绘出宇宙伽马射线来源的全景 。 2002年,NASA发射“费米伽马射线太空望远镜”卫星,携带更为先进的仪器取代已经失效坠毁的康普顿观测站 。
“望远镜”只是一个俗称 。 因为伽马射线不能被反射或折射,也就不可能像望远镜那样聚焦 。 卫星上装载的两个探测仪都只是大面积的被动接收仪器,分别通过探测正负电子对和光电效应来辨别伽马射线,并能相当准确地还原射线的来源方向、时间和能量等参数 。 也正因为不需要定向聚集,它们可以同时接收大范围的信号 。 因此,该卫星每3小时绕行地球2周时便能将整个天幕扫描一次 。 这样不断地扫描的结果便能得到宇宙中几乎所有的伽马射线光源分布和它们随时间的演变 。
宇宙中所有的光
自然,这个“望远镜”接收到的最亮的伽马射线来自我们地球所在的银河系,大部分产生于高能的带电宇宙射线与银河系中星际物质和光子的碰撞和作用 。 通过对这些伽马射线的分析可以得到那些星际物质、光和电磁场等分布的数据 。
更有意思的是那些来自银河系之外遥远星空的伽马射线,从那里能够来到地球的伽马射线便少得多,带来的信息也尤其珍贵 。 在距离我们几十亿光年之外有着大量的星系,其中心是巨型黑洞 。 这些黑洞在吞噬其周围的星体物质时会向外发射以伽马射线为主的能量流 。 如果这个发射的方向正好对着地球,便能够被费米望远镜探测到 。 这样的黑洞在天文学上叫做“耀变体”(blazar) 。 虽然我们刚刚才接收到,这些伽马光子是在几十亿年前就已诞生,在那漫长的时间中穿越了浩瀚的距离才来到我们的门前 。 它们不仅仅带来了远古的信息,而且在征途上经历了宇宙几乎从初始到今天的种种变迁 。

推荐阅读