科學也可以如此靠近

宇宙創世之謎,如果沒有第一批恆星就不會有銀河系太陽地球和人類


2018年7月07日10時 今日科學 獨品一鳴
獨品一鳴

宇宙創世之謎

死光之源

在無垠太空的深處,潛藏著可怕的毀滅之光。毀滅之光所到之處,一切生命都被蕩滌乾淨。毀滅之光是在無法想像的巨大物質爆發時產生的,在浩瀚的宇宙中,這種大爆炸每天都要發生幾百次。多年來,科學家一直在探索這種死光的來源。現在,他們也許終於找到了答案,而這個答案也蘊含著宇宙創世的大秘密:宇宙是怎樣誕生的?生命是如何出現的?當我們仰望夜空的時候,能看到滿天繁星閃爍,然而,很多億年前,宇宙並不是現在這個樣子。那時的宇宙一片黑暗,沒有生命,沒有星星——那就是宇宙大爆炸剛剛止息之時。

宇宙開始於140億年前的一次大爆炸,當時的宇宙是一隻巨大的火球,然後它慢慢冷卻下來。

大約50萬年後,宇宙進入絕對黑暗時期,一直等到第一批恆星的形成,才重新點亮了它。隨著宇宙黑暗時期的結束,了解這一時期奧秘的機會也隨之而去。這些奧秘包括:第一批恆星是怎樣形成的?誰是萬物的創造者?恆星是宇宙的工廠,在它們燃燒著的內核里,製造出了我們今天能看到和觸摸到的所有元素。如果沒有第一批恆星,就不會有銀河系、太陽、地球和人類。這個創世故事的最大疑團是,如果這些恆星創造了萬物,那麼這些恆星又是怎樣被製造出來的呢?這是一項極為艱難的探索,因為沒有光線能讓我們看見宇宙的黑暗時期。太陽光需8分鐘才能到達地球,當我們看到太陽時,看到的其實是8分鐘以前的太陽;當我們看到更遠地方的恆星時,看到的其實是更久以前該恆星的狀態;如果我們能看到離我們有10萬光年遠的恆星,那麼看到的只是它10萬年前的樣子。

但不管怎樣努力地往回看,我們都無法回望到宇宙的黑暗時期,因為現有技術看不見140億年前發生的光線。然而,那種能摧毀一切的死光似乎正要照亮宇宙的黑暗時期,揭示宇宙中第一批恆星是怎樣產生的。

死光是什麼?

那麼,死光是什麼呢?

發現死光的故事要追溯到20世紀50年代,那時的世界被核威脅籠罩著。美國的統治者荒唐地確信,他們的死對頭前蘇聯正在暗中加緊開發核武器,而且核武器的試驗場不是在海洋里,也不是在沙漠裡,甚至不是在地球上,而是在月球的背面。

為此,美國專門製造了一系列可用來監視月球背面核爆炸的偵察衛星,並把它們送入了預定軌道。這些衛星裝有非常敏感的伽馬射線探測器。伽馬射線是宇宙能量中最具穿透力的致命死光,也是核爆炸無可遁形的痕跡。只要有核爆炸發生,就會有大量的伽馬射線被釋放出來。然而,美國衛星並沒有探測到前蘇聯的核爆炸,卻探測到了比核爆炸更具威脅的巨大爆炸。1967年7月2日,美國衛星探測到了一次巨大的伽馬射線爆發。

通常,在一次常規核爆炸試驗中,伽馬射線的釋放有兩次高峰,第一次釋放出伽馬射線的量要小得多,緊接著第二次釋放的伽馬射線數量才會激增。可是美國衛星所接收到的伽馬射線能量之大,持續時間之長,簡直令人不可思議。

當時,沒有人能解釋這個奇怪的現象。有一段時間,甚至謠傳在銀河系某處正發生一場星際大戰,

衛星測到的伽馬射線是他們打偏了目標造成的。還有更奇異的說法,說那是小型黑洞蒸發的結果,或者是彗星正在消滅反物質。

在百思不得其解的情況下,科學家只得求助於愛因斯坦那舉世聞名的物理學公式E=mc2。這個公式中包含著現代科學對宇宙工作原理的諸多假設,也限定了物質爆炸的最大能量,沒有哪一種爆炸能超過這個公式所確定的能量。如果伽馬射線是來自於某一恆星,只要知道該恆星的質量,質能公式就會告訴你爆炸的能量有多大。

一旦知道了引起爆炸的星體質量的大小,就能計算出星體有多遠。科學家把這個數值帶入公式後,發現這一爆炸就發生在銀河系。但這一爆炸所需的質量遠大於銀河系中的任何一顆恆星,於是,科學家又對銀河系進行了一次大搜捕,試圖找到肇事星球。不久,科學家認為自己找到了禍首——中子星。中子星是銀河系中最強大的星體之一,它的密度很大,因此引力也很大,任何在太空遊蕩的物體只要稍稍靠近它,都會被它的引力吸引過去。中子星通常只有12千米的直徑,卻有太陽那麼大的質量。只要往它上面扔一顆糖,就會引起原子彈那麼大能量的爆炸。

中子星似乎有足夠的質量來製造伽馬射線大爆發,可問題是,是什麼原因激發中子星發射伽馬射線呢?有很多關於中子星的理論,其中一種認為,只要有物質落在中子星上,就會釋放大量能量。有人由此推斷,中子星之所以釋放伽馬射線,是因為有物體與中子星相撞,比如一顆小行星落到了中子星表面。這一觀點很快就被廣為接受,人們甚至開始推測伽馬射線可能對地球造成的影響。有些生物學家認為,地球上的幾次物種大滅絕很可能是由中子星釋放伽馬射線引起的。如果伽馬射線在地球附近大爆發,就相當於無數核彈落到了地面上,那麼地球空氣會因為爆炸釋放的熱量而升溫,進而流動加速,颶風、龍捲風、驚濤駭浪會遍布全球。也許在銀河系中,一些文明已經被中子星的爆炸給摧毀了。在未來的幾百萬年里,這樣的厄運會降臨到地球人的頭上嗎?科學家認為,這種機率是非常微小的,也就是說地球很安全。

可是,禍首真的是中子星嗎?

為探明真相,美國普林斯頓大學的天文學家博丹·帕克岑斯基教授把注意力放在了伽馬射線出現的方向和它們在空間的分布上。他首先把目光投向銀河系。當我們抬頭望天,看到的銀河系是一條狹窄的星群帶,天文學家稱之為「銀道面」。

我們看見的銀道面是被扭曲了的,因為我們身處銀河系邊緣。事實上,銀河系是太空中一個直徑達10萬光年的扁平圓盤。如果伽馬射線的爆發就發生在銀河系,那麼它們就應該來自銀道面附近,並有向銀河系中心集中的趨勢。

但當帕克岑斯基把可用的資料拼湊在一起時,卻發現情況完全不是這樣的。伽馬射線的爆發似乎分布於整個空間,而與銀道面和銀河系中心沒有特殊關係。這就是說,伽馬射線的爆發不可能是在銀河系裡,有關伽馬射線爆發的中子星理論是錯誤的。伽馬射線的爆發應該來自於位於更遠地方——宇宙另一端的更大物體。不過,要想確認帕克岑斯基的理論,就必須觀察到更大能量的爆炸,但問題是任何已知恆星都不可能產生如此大的爆炸。

當帕克岑斯基發表他的理論時,所有人都認為他瘋了,因為只有在一種情況下他才會是正確的,那就是愛因斯坦錯了,愛因斯坦的質能公式也錯了!很快,帕克岑斯基就被人遺忘了。5年後的1991年,NASA發射了一顆探測衛星,上面攜帶有最先進的探測設備,能全面探測伽馬射線。第一批傳回的資料便大大超出人們的預料:伽馬射線的爆發不是分布在銀道面,而是隨機分布在整個天空。衛星收集的資料越多,就越表明一個事實:那些爆發的伽馬射線不是來自於銀河系,而是來自於浩瀚的宇宙。

帕克岑斯基勝利了!但他卻把整個物理學推到了懸崖邊緣。如果伽馬射線的爆發確實來自銀河系以外,那就不是今天的科學所能解釋的,因為它違背了愛因斯坦的質能公式,而這似乎又是不可能的。因此,測量伽馬射線爆發的距離就成了天文學家最迫切的任務。

尋找死光餘暉

天文學家在測量太空中遠離地球的天體與地球之間的距離時,採用的是一種叫做「紅移」的技術。利用該技術,也可測量射線爆發離地球有多遠,其原理是:大多數爆炸都會發出可見光,把這些可見光分解成連續光譜,如果物體距地球越遠,則光譜中紅光的成分越多。雖然伽馬射線不屬於可見光,也不會產生紅移現象,但當伽馬射線穿越太空時,會碰到飄浮在太空中的氣體和塵埃。這些氣體和塵埃被加熱後會發出可見光,有時可持續數天。如果能找到這些可見光,就可以利用紅移技術。

早在1997年5月9日,又一次伽馬射線大爆發被探測器接收到了。全世界的天文台一片忙碌,科學家們忙著對望遠鏡重新編程、重新聚焦,希望能找到伽馬射線燃起的餘暉。太幸運了!他們找到了。一團模糊的光影出現在天空,天文學家立即對它進行分析:它不在光譜的藍端(在藍端就意味著爆發發生在銀河系裡),甚至不在綠光的範圍內。只要是在黃色光的範圍內,就意味著爆發發生在銀河以外很遠的地方。可惜它也不是黃光,事實上,它很接近光譜的紅色末端,也就是說,爆發的發生地遠在宇宙的另一邊——距離地球達100億光年。

問題接踵而來。即使把宇宙中的全部星體都放在那麼遠的一個點上,也不能產生如此強大的伽馬射線爆發。

莫非,愛因斯坦的質能公式錯了?

如果愛因斯坦錯了,那麼整個宇宙物理學就會錯了。科學家們此時終於意識到,必須重新審視眼前的「怪物」。可是,問題究竟出在哪裡呢?

物理學家常常假設,當爆炸發生時,能量會向周圍各個方向釋放。因此,當深空中的伽馬射線爆發時,在地球上看到的就只是這種爆發的很少一部分,如果加上向其他方向釋放的能量,那麼全部能量就是一個天文數值。事實上,問題就出在這裡。

有人注意到了黑洞。黑洞是恆星耗儘自身的所有燃料後自我塌陷的結果。

黑洞的引力極其強大,能吞噬周圍的一切物質,同時噴出兩道能量流。如果伽馬射線的爆發也是以狹窄的能量流方式釋放出能量,則符合愛因斯坦的質能公式。也就是說,在地球上探測到的能量就是伽馬射線大爆發時釋放的幾乎全部能量,爆發地點就在宇宙的另一邊。不僅如此,伽馬射線的爆發還可能與恆星死後形成的黑洞有關。

那麼,情況果真如此嗎?

早夭的「巨星」

十幾年前,又一次伽馬射線大爆發開始了。天文學家在分析了所得資料後,立即感覺到了異常。在通常的爆發中,能量的釋放會達到一個最高點,然後慢慢衰落。但這次的信號不僅很強,而且還長時間保持穩定。

究竟哪種爆發能釋放出如此強大的能量呢?終於有科學家意識到,只有一種地方可以發出如此恆定的信號,那就是被譽為「宇宙奇觀」之一的「恆星產房」——恆星誕生的地方,這裡每天都有全新的恆星誕生。在所有星系中,都發現了「恆星產房」,它們由巨大的氣體和塵埃雲團組成,寬達數百光年。在這些雲團中的某些地方,壓力很高,於是一些高熱、高密度的團塊就形成了。隨著溫度越來越高,核反應開始了,氣團隨之被點燃,變成恆星。由此看來,或許正是在這些「恆星產房」內或附近產生了伽馬射線大爆發。因此,如果在某個「恆星產房」附近發現了伽馬射線大爆發,也就預示著伽馬射線大爆發與恆星的形成過程有關。

可這裡又出現了矛盾。一般理論認為,伽馬射線爆發是由黑洞產生的,

而黑洞是恆星死亡的結果,那麼伽馬射線又怎麼可能來自恆星誕生之地呢?難道恆星會在「恆星產房」中早夭嗎?事實上,大多數恆星的壽命可達100億年,到它們死亡時,「恆星產房」早已不復存在。然而,如果一顆恆星長得很「肥壯」而成為「巨星」,那它的生死周期就會被大大加速,這是由於「巨星」雖然有更多燃料可供燃燒,卻也燃燒得更加迅猛。也就是說,「巨星」的葬身之地離出生地很近。因此,如果伽馬射線的爆發來自「巨星」的死亡之地,那麼也就是來自它的誕生之地。

因此,有人提出了「超—超新星」理論。隨著「巨星」的形成,一切就在「恆星產房」中開始了。在短短几百萬年時間內,「巨星」燃盡其內核中的燃料,坍塌成為黑洞。隨著黑洞噴出兩道強大的伽馬射線流,「超—超新星」也就形成了。也就是說,我們每次看見伽馬射線大爆發,就相當於目擊「巨星」的死亡和黑洞的誕生。這樣,伽馬射線之謎就被破解了。

不過,故事到此尚未結束。

回到從前

有人認為,伽馬射線大爆發也許有助於回答另一個更為關鍵的問題:在宇宙的黑暗時期,發生過什麼驚天動地的大事?正如本文開始時所說的,回答這個問題有助於解開創世之謎。因為現已知道,構成宇宙萬物——星系、行星、空氣、骨骼等的所有元素,最初都是在恆星中造就的。事實上,我們都是星星的一部分——星塵。

如果沒有恆星製造所有的元素,就沒有一切,因為正是由於恆星的死亡、爆炸才把星塵散布於廣袤的空間,變為形成下一代恆星的塵埃、氣體團的重要組成部分。那麼,如果說是恆星創造了萬物,那是誰創造了恆星呢?答案就藏身在宇宙之初的黑暗時期,而伽馬射線的大爆發也許能讓我們回到非常遙遠的從前——宇宙黑暗時期。現在已知,那些伽馬射線大爆發出現在遠離地球數十億光年乃至上百億光年的地方,也就是說,它們發生在幾十億乃至上百億年以前,其產生的光線經過幾十億乃至上百億年才到達地球。科學家因此希望,伽馬射線能帶領我們回到創世之初。現在,伽馬射線大爆發已把科學家直接引向「恆星產房」,於是,他們更進一步希望,來自最早的「恆星產房」的伽馬射線有朝一日能把他們帶到最早的恆星誕生地。

當然,迄今為止,還沒有人看到過來自宇宙黑暗時期——140億年前的伽馬射線爆發,但可以肯定的是,它的確存在,找到它們只是時間問題。

耐心等待吧!我們最終必將明白


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