第二次天文学大辩论——伽玛暴距离之争

伤我心太深

众所周知，1920年4月，柯蒂斯和沙普利就旋涡星云的本质和宇宙尺度进行的大辩论是天文学史上的一次重要事件。沙普利坚持“大银河，小宇宙”的观点，而柯蒂斯则认为旋涡星云是类似银河系的“宇宙岛”，同时认为太阳是小小的银河系的中心。最终在辩论过后几年，哈勃在仙女座大星云中观测到了造父变星，测定了距离，为这次辩论敲定了结果——大银河大宇宙，同时也为现代观测宇宙学奠定了基础。著名天文学家徐遐生对这次大辩论的评价是，它不仅有着历史意义，还示范了科学推理的过程。

1995年4月，也就是第一次大辩论过后的75年，在当年柯蒂斯和沙普利争辩的地方——自然历史博物馆的Baird礼堂，又一场大辩论举行了。这次的主题一是纪念当年的事件，二是讨论伽玛暴的距离问题。辩论双方分别是普林斯顿大学的Bohdan Paczyński和芝加哥大学的Donald Q. Lamb。辩论的协调人也非等闲之辈，正是伽玛暴火球模型的元老级人物——Martin Rees爵士。而正式辩论之前进行背景介绍的Virginia Trimble和Gerald Fishman也都是知名天文学家，前者是时任的ApJ副主编，并于1994-2000年间担任IAU副主席；后者是康普顿伽玛射线天文台的BATSE首席研究员，曾获为高能天文学设立的Bruno Rossi奖。此次辩论可谓是群英荟萃。

第二次大辩论的参与者，左起：Paczyński、Rees、Lamb

Paczyński认为伽玛暴起源于宇宙学距离，甚至早年曾经就此事与Martin Rees打过赌，这也是天文史上的著名赌局之一；而Lamb则坚持银晕起源的观点。当时的背景是，伽玛暴余辉尚未发现，而康普顿天文台则观测到了伽玛暴的各向同性分布，掀起了新一轮研究高潮。

自1967年发现这一现象以来，人们提出的伽玛暴理论大致分为两类，一是宇宙学起源，二是河内脉冲星起源。由于1980年代银河卫星的吸收线观测，后者一度占据上风，甚至被写入了教科书，也使一批牛人对此深信不疑。但巡天发现，脉冲星在银河系中的分布与银盘面符合，因此康普顿的观测结果对脉冲星起源的相关理论提出了严峻的挑战。这样，与75年前第一次大辩论类似的情况出现了：都是就某类天体的距离问题纷争不休。

辩论当天，双方先是陈述各自观点，然后回答协调人Martin Rees的问题，做各自的小结，最后是观众提问，并由Rees总结。关于此次辩论的文章汇总刊登在1995年12月太平洋天文学会的刊物上。

Paczyński应该算是研究伽玛暴的知名人士了，本人刚入门时导师指定阅读的数篇经典文献中就有此君的大作。他的观点很明确，强伽玛暴的均匀分布与欧几里得空间中独立于距离的天体均匀分布一致，而弱暴的分布偏离均匀，原因可能是自身分布的问题，但也可能是观测的选择效应。这与所有宇宙学距离上的天体类似。他比较了银河系天体以及河外源的分布情况，承认单看伽玛暴的空间分布，康普顿的结果与银冕起源或距离地球100秒差距内的邻近恒星起源并不冲突。但考虑爆发所需的能量，Paczyński指出，由于所需额外假设过多，河内起源是不足取的。

上左：528颗邻近恒星的分布；上右：160个河内球状星团的分布；中左：1145个河内行星状星云的分布；中右：276个邻近星系的分布；下左：233个河外射电源的分布；下右：软伽玛射线再现源（圆圈）与河内X射线暴（黑点）的分布。以上均采用银道坐标系。

Lamb则认为，当时已有了对高速中子星的观测，这些中子星组成了银冕。与银河系的其他部分不同，银冕是相对地球对称的结构，因此用其中的脉冲星现象就可以解释康普顿的观测了。而他认为伽玛暴和软伽玛射线再现源（Soft Gamma-ray Repeater）组成了一个连续的谱系，后者当时已知的3个例子都存在于超新星遗迹中。此外，Lamb还指出，有若干暴（如GRB 790406和GRB 791116）的误差范围内并无亮星系存在，伽玛暴还缺乏光学对应天体。他一并质疑了伽玛暴分布的各向同性程度，以此来支持银河系起源的理论。话说Lamb一直以来似乎在不断地找伽玛暴宇宙学起源理论的碴子，譬如他曾在某篇文章中提到，有多个爆发前后出现在同一位置，与标准模型矛盾云云，连火球模型的大师级人物Tsvi Piran在1999年发表的综述中都没有忽视这一点，虽然Piran对其作了否定的评价。不过事到如今，Lamb也算是识时务，转而将伽玛暴的宇宙学应用作为研究领域之一，如伽玛暴红移记录的保持者——GRB 050904存在的可能性就是他预言到的。BTW，关于这位Lamb，本人还有幸跟他打过照面，是在去年的引力波天文学暑期学校上，听他了讲很多关于使用伽玛暴限制暗能量与Ia型超新星数值模拟的问题，只是当时还不知道他的这些段子而已……

GRB 790406和GRB 791116的对应天区

Martin Rees的总结并没有对伽玛暴的起源问题下定论，只是提出了为未来的观测和研究指出了几个方向。他认为，今后可以进行的工作包括探测对伽玛暴各向同性分布的偏离、在星系晕中搜寻弱暴、探测其他波段的对应天体、寻找谱线特征、观测可能的引力透镜效应等。

此次大辩论的相关文献：

Robert Nemiroff的介绍
Virginia Trimble的1920年大辩论背景介绍
Gerald Fishman的伽玛暴综述
Bohdan Paczyński的距离观点
Donald Q. Lamb的距离观点
Martin Rees的总结

当然，现在于本人来说，由于早已接受了伽玛暴的标准模型和宇宙学起源，已无法做到完全公平地看待辩论双方。个人眼中，Lamb的观点多少有些不够简洁，如果按奥卡姆剃刀的标准，优先考虑的不应该是它（这也是Paczyński的看法）。更重要的是，Lamb把软伽玛射线再现源与伽玛暴混为一谈，如今也被认为是有问题的。

话说回来，个人以为从某个角度来看，Lamb还是值得佩服的，能把零零碎碎的观测事实凑在一起，提出一种不那么直观的理论来解决问题，也算是一种能力吧，何况据说在辩论现场，Lamb也是占据上风的……

如同1920年的柯蒂斯—沙普利辩论，第二次天文学大辩论也没有当时解决问题，最终结果也是在事后几年的光景内才尘埃落定的。实际上Martin Rees在辩论的总结中也是这样希望的。1996年升空的BeppoSAX卫星在次年先是发现了伽玛暴余辉，既而又促成了伽玛暴红移的测定工作，基本确定了宇宙学起源，进而完善了标准模型，也让伽玛暴这一研究领域真正兴起。

此次辩论之后的1996年和1998年，又有两场辩论在Baird礼堂举行，分别是Tammann与van den Bergh就宇宙尺度举行的辩论和Peebles与Turner就宇宙本质举行的辩论。