人類為何要探索宇宙？
造就第326位講者 戴子高
- 長江學者
- 中國天文學會副理事長
很多人都看過綠巨人的電影。這部電影中裡有一個超級英雄——綠巨人浩克（Hulk）。他本來是一個天才級的原子核物理專家，在一次實驗中，意外地被伽瑪射線照射，變成了綠巨人。
我的研究課題就是伽馬射線暴（編者注：伽馬射線暴是來自天空中某一方向的伽瑪射線強度在短時間內突然增強，隨後又迅速減弱的現象），它是宇宙中最壯麗的爆炸！
談到伽瑪射線暴，最為人所熟知的是去年8月17日發生的大事件——人類首次“聽”到雙中子星合併發出的引力波，同時從伽瑪射線波段“看”到了雙中子星的併合。
中子星合併爆炸的模擬效果圖
如果用光來走，至少要走上幾億年
人們是如何發現伽瑪射線暴的？在1945年，美國為了儘快結束第二次世界大戰，在廣島和長崎投下了兩顆原子彈。
之後，美國為了監測前蘇聯和中國兩國核試驗產生的高能射線，於1967年發射了船帆座衛星，上面安裝有監測伽馬射線儀器。結果在當年就發現了十幾例伽瑪射線。
經過分析，這種伽瑪射線不是來自於地球，而是來自太空，從而發現了伽瑪射線暴。
但由於軍事保密原因，科學家在1973年才第一次發表有關伽瑪射線暴的文章。
那麼，伽瑪射線暴是在哪發生的？
從Swift衛星觀察到的五百個伽瑪暴的空間分佈，我們可以看出伽瑪暴的空間分佈是隨機發生的，從而表明伽瑪射線暴在空間上是高度各向同性。（編者注：各向同性指物體的物理、化學等方面的性質不會因方向的不同而有所變化的特性，即某一物體在不同的方向所測得的性能數值完全相同，亦稱均質性）。
伽瑪暴的距離是宇宙學的距離。什麼是宇宙學的距離？打個比方，我們如果用光來走的話，至少要走幾億年以上。
1997年是伽瑪暴研究的一個重要轉折點。我們通過BeppoSAX衛星對伽瑪暴進行定位。
BeppoSAX衛星包含了三個探測器，一個叫伽瑪暴監測器，一個叫寬視場相機，一個叫窄視場儀器。
寬視場相機和窄視場儀器可以對伽瑪暴進行精確定位。精確定位之後，我們不僅在X射線，在光學和射電的波段都可以看到來自於伽瑪暴的餘輝輻射。
3乘10的28次方顆原子彈
伽瑪暴在一秒之內釋放的能量相當於太陽在一百億年釋放的能量之和。
這個能量非常巨大，相當於3乘10的28次方顆原子彈釋放的能量之和。試想一下，一個原子彈釋放的能量，我們都受不了，這麼多原子彈爆炸的能量該是多麼巨大！
因此，伽瑪暴的爆發機制與過程應該是非常極端的。
爆發有三個機制：
第一個機制是大質量恆星的坍縮。太陽是一顆普通的恆星，壽命為一百億年。如果有一個質量十倍於太陽的恆星，它的壽命只有1000萬年。
當這顆恆星要坍縮，結果是什麼呢？
首先，恆星的中心向裡面坍縮的時候，會形成黑洞，也有可能形成一箇中子星。而在坍縮的過程中會產生噴流。這個噴流會穿過這顆恆星的包層，再穿越宇宙的空間。
假如這個噴流對著我們觀測者，那麼我們就可以看到一次伽瑪暴；假如噴流偏離我們觀測者的話，我們就觀測不到它。
那麼現在要證明為什麼說伽馬暴是起源於大質量恆星坍縮的？
人們在發現伽馬暴餘暉之後，馬上發現它周圍的環境可能是一種星風環境。什麼叫星風環境？比如說一個大質量恆星，在經過長期的演化過程當中，會拋射出來物質，這些物質就形成了星風環境。如果我們發現有星風環境的話，那可能跟大質量恆星坍縮相關，這是一個間接的證據。
那麼直接的證據是什麼？2003年3月29號，伽瑪暴跟一個超新星在同一個方向同時發生。而超新星爆發正是產生於大質量恆星坍縮。這個證據也就證明了伽瑪暴也是起源於大質量恆星的坍縮。
第二個機制叫雙中子星的併合，是由Paczynski在1986年提出的。這一思想已經被觀測證實了。
去年10月16號，美國東部時間上午10點，全世界很多天文機構和政府組織同時舉行新聞發佈會，講的就是同年8月17日，探測到引力波同時，看到了伽瑪射線暴。在觀測伽瑪射線暴之後的11個小時，人們看到了千新星，它比太陽的亮度還要高出1億倍。如果千新星在我們太陽這地方發生，那我們地球就會全部毀滅。
千新星
在雙中子星併合產生千新星的過程中，會合成很重的元素。黃金、白金、白銀，甚至還有放射性元素鈾，都是由這個雙中子星併合合成的。
那麼雙中子星併合之後的產物是什麼呢？有人說可能合成一個黑洞，我和我的同事提出了一個不同的觀點。我們認為，雙中子星併合之後可能會產生一個質量比較大的中子星，而這個中子星跟黑洞是完全不一樣的。
如果併合的產物是一個黑洞的話，那後面什麼事情都沒有了。但是如果是一箇中子星的話，那麼它後面就像吐泡泡似的，會產生輻射。
在引力波GW170814事件後的155天，科學家確實探測到這樣的輻射，證明了雙中子星併合之後，有可能產生大質量的中子星。
第三個機制是我和我的同事提出的，叫雙中子星相變。當中子星的質量不斷增加的時候，就像吃飯一樣變得越來越胖，在巨大的引力擠壓下，很快就坍縮成夸克星。這個夸克星的體積比中子星還要小，裡面都是由夸克物質組成。從中子星坍縮為夸克星的過程中，會釋放巨大的能量。這個能量也會產生伽瑪射線暴。
我們的這個機制可以解釋其他模型不能解釋的觀測特徵。
恐龍滅絕可能是伽馬暴惹的禍
如果伽瑪射線暴在銀河系裡面發生，噴流對著我們的地球，會發生什麼呢？
地球上面的氧氣和氮氣分子將會分解，生成二氧化氮。二氧化氮是一個酸性的分子，它會擋住可見光。
萬物生長靠太陽。沒有太陽的可見光，我們的生命就不能存在了。
除了擋住可見光，它還會破壞臭氧層。一旦臭氧層被破壞，紫外光就會透進來，我們地球將變得非常寒冷。而紫外光也將直接殺傷生命。
我們地球上的幾次生命大消亡，都很有可能是因為在銀河系裡發生了伽瑪暴，很有可能這個伽瑪暴的噴流就對著我們地球。
有什麼證據呢？
奧陶紀時期生命都生活在海洋中，如巨大的鸚鵡螺
證據就是海洋表面浮游層的生命曾經大量地消亡，而深海里面的生命卻存活下來了，比如說巨大的鸚鵡螺可以存在。
6500萬年之前的恐龍滅絕也有可能是因為伽瑪暴。
假如今天有一個伽瑪暴在我們附近發生，噴流對著我們地球的話，那麼我們所有人肯定要消亡的。
但是伽瑪暴發生在銀河系裡，噴流對著我們的概率是非常小的，大概幾千萬年才會發生一次。
將來怎麼去觀測伽瑪暴呢？
Swift衛星、Fermi衛星是國際上觀察伽瑪暴的兩個衛星。
中國也有“慧眼”硬X射線調製望遠鏡衛星，已於去年的6月15號成功發射。還有一顆是中法合作的“空間變源監視器”衛星，將在2021年發射。
“空間變源監視器”衛星裡配備伽瑪射線探測器、光學望遠鏡、硬X射線望遠鏡、軟X射線望遠鏡、地面廣角相機以及後隨觀測系統，可以從光學到伽瑪射線整個波段觀測伽瑪暴。
很多人都知道這個大鍋，就是中國的天眼FAST。這個大鍋這個體積是非常大。如果你用這個大鍋來燒飯的話，夠全世界人民一天三頓的這個飯量了！
它的靈敏度非常高，對於我們研究伽瑪暴，特別是從射電波段來研究伽瑪暴非常重要。
最後我再簡單地談一談人類為什麼要探索宇宙？
首先，人類探索宇宙是想了解宇宙裡各類天體的起源和演化。
比如說太陽怎麼起源、怎麼演化的？系外行星怎麼起源、怎麼演化的？將來我們人類能不能搬到系外行星去？
這些問題都非常重要。
第二，我們想研究極端條件之下的物理規律。我們在地球上揭示的規律只是在地球這個實驗室裡面。那麼，這些規律在天文的、極端的條件之下能不能使用呢？比如在密度極高、磁場極強、溫度極高、引力極強的極端條件之下，這些物理規律是不是對的呢？
我們都可以通過研究天文來揭示其中的規律。
校對：其奇
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