仙女座伽马射线大爆发 会威胁到地球？

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5月28日，这样一个消息在网络和媒体上疯传：在距离我们最近的大星系——仙女座大星系里出现了一次伽马暴，这是一个宇宙级的大发现，也预示着我们全人类又躲过了一劫。然而，仅仅半天之后，又有官方消息证实，这一发现纯属子虚乌有，只是伽马暴探测器“雨燕号”的一次误报而已。

这样一场宇宙级别的大乌龙到底是如何发生的？英国莱斯特大学博士后研究助理、“雨燕号”团队成团菲利普·埃文斯（Philip Evans）就此撰写了一篇文章，果壳网为你全文编译如下。

仙女座大星系出现的所谓“伽马暴”，被证实为只是“雨燕号”探测器的一次误报。图片来源：NASA

2014年5月28日，星期三…… 真是漫长的一天。噢，现在还只是早上9点17分（译注：这是作者写作此文的当地时刻）。或许你已经留意到了，推特圈里一直在流传这样的说法：邻近的仙女座大星系（M31）里据说出现了一个伽马暴（GRB）。我的电话还从来没有这么吵过！问题在于，从来就没有人宣称出现过这样一个伽马暴，实际上只是一个暂时性的结果，触发了这个被过度解读了的故事。

那么，到底发生了什么，为什么所有人都一度认为这是一个伽马暴？

事情要从“雨燕号（Swift）”探测器上的爆发警示望远镜（Burst Alert Telescope，BAT）说起。这台望远镜专门设计用来寻找伽马暴，只要是原本已知不会发出高能辐射的某片天区出现了任何高能辐射爆发，都会“触发”这台望远镜。但是，想要确定是否真的出现了伽马暴，就没有这么简单了，因为探测器里会出现噪声信号，还有背景辐射等等因素。所以，“雨燕号”通常只在真正确定辐射爆发属实的情况下才会触发；如果你是统计学家，可以告诉你我们设定的阈值是6.5-σ。即使如此，我们偶尔还是会遇到误报。

不过我们还有另一个计划，就是试图从邻近星系里寻找暗弱的伽马暴。为此，如果信号出现在已知的某个邻近星系附近，就算阈值要低得多，我们也会接受这样的触发。当然，这些阈值低得多的触发属于误报的可能性也会大得多。正常情况下，我们可以分辨这些触发是不是误报，因为伽马暴在最初的爆发之后，（几乎总是）会出现能够探测得到的X射线余辉。误报的触发，自然就不会出现X射线。

不过具体到今天这件事，情况就稍有一点复杂了。有一个X射线源与爆发警示望远镜报警的位置相符。下图显示了最早的X射线数据。黄圈显示了爆发警示望远镜的误差圈——意思是说，爆发警示望远镜告诉我们，它觉得在这个黄圈里看到了东西。橙色方框显示了当时“雨燕号”上的X射线望远镜（XRT）能够看到的区域，那些灰点就是它检测到的X射线。红色小圈标出了X射线源的位置。

黄色圆圈为“雨燕号”爆发警示望远镜的误差圈，橙色方框为“雨燕号”X射线望远镜的视场范围。图片来源：菲利普·埃文斯

那么，这是一个伽马暴吗？不是。

首先，这个源是一个已知的天体，在大量先前的观测中都出现过，包括“雨燕号”自己的观测。事实上，在我去年年底出版的那份星表里，你可以看到我们观测到它很多次。我们当然知道这一点，事实上，“雨燕号”团队发出的第一份通告里也说过这一点。

其次，那个已知的X射线源大概是某种类似X射线双星的天体（所谓X射线双星，就是一颗中子星绕着一颗普通的主序恒星旋转）。没有人认为这样的天体会是伽马暴的前身。

而且有趣的是，“雨燕号”团队从未宣称这是伽马暴。事实上，我也没有见到任何圈内人宣称这是一个伽马暴。

至于为什么整个网络上都在把它当成一个伽马暴来报道，就不是我能够推测的事情了。不过“雨燕号”在研究伽马暴方面的成功是出了名的，事实上本月（2014年5月）它在美国航空航天局（NASA）的项目评定中还排名第一。我猜测，狂热的天文爱好者把两件事串在了一起，便得出了2加2等于5这样不幸的结论。

我还看到有人说，这个天体发出了大量伽马射线：事实是绝对没有。实际上，“雨燕号”爆发警示望远镜团队当时的原话是，“这是一个暗淡的爆发警示望远镜暂现事件”。

那么它到底是什么，兴奋点又在哪里？

仅仅由于这个X射线天体先前已知，而且不太可能是伽马暴，并不意味着它就会无聊。如果这个X射线天体比以往明亮得多，那几乎可以肯定，它就是触发爆发警示望远镜的那起事件，这在科学上也是有趣的。地球附近发生的任何高能爆发都很值得研究。

通常，当“雨燕号”上的X射线望远镜观察到一个新射线源，我们会把有限的数据产出直接传回地球，通常会有软件（我本人写的！）来分析那些数据。具体到今天这件事，分析那些数据产出的时候遇到了一个问题——确切地说，遇到问题的是我们通常用来估计亮度的数据产出。所以，当时在线的科学家不得不采用了更加粗略的数据，而从那些数据来看，这个X射线天体似乎比以往要明亮得多。就这样，消息被发布了出去。

“雨燕号”团队在第一份通告中公布的部分数据。通告中并未宣称这可能是一起伽马暴。图片来源：NASA

为什么结果只是初步的，就把它发布出去了？

天体的爆发往往是短命的。从“雨燕号”上获取完整数据发往地面，是需要花费时间的。而时间是天文学家损失不起的。所以，你现在面临一个选择：选项一，我们假设这些初步结果正确，冒着浪费一些望远镜观测时间的风险去监测它；选项二，我们冒着错过百年一遇大事件的风险，继续等待，直到确定结果是真是假。

在“雨燕号”团队里，我们相信天文学家应该有能力自己作出决定，所以我们不会瞒报我们的结果。结果会被立即发布，天文学家也知道结果是初步的。一旦获得完整数据，我们总是会尽快发布一份更细致的分析，通常会在几个小时之后。

具体到这件事，我们不得不等待许久以获取完整数据，大概（有待证实）跟美国的“雨燕号”数据中心断电有关，这场断电来的还真是时候！

不过与此同时，身在英国莱斯特的我们也意识到了问题所在，我及时修复了对最初数据产出所作分析中遇到的问题，更加准确地测定了那个X射线源的亮度。至此，事情就很明显了：这个X射线天体根本没有爆发，它的亮度跟以往我们观测到的亮度完全一致。很可惜，这意味着它根本就不是一个令人兴奋的暂现天体。它只是一个碰巧出现在BAT误差圈里的X射线天体，仅此而已。

至于触发BAT的，很有可能只是一个噪声信号，低阈值的触发往往都是这样。

所以，到底发生了什么？

最终的事件表是这样的：

• 爆发警示望远镜因为仙女座大星系附近的一个低阈值事件而被触发。这样的事件可能是误报，但偶尔会有真的。
• “雨燕号”对准了爆发警示望远镜确认的方位，在那里看见了一个已知的X射线源。
• 由于通常的数据产出遇到问题，只有更粗略的数据可用。这些数据显示，这个X射线天体要比以往明亮得多，是一个正在爆发的源。
• 我设法分析了出问题的数据，发现这个源没有爆发。结果被发布出去。
• 获取到完整数据，证实这个X射线天体确实没有爆发。
  

“雨燕号”探测器专为研究伽马暴而设计，是目前天文学家发现伽马暴的最有利“武器”。图片来源：NASA

最后一点想法

我猜想，从外界来看，这件事似乎相当乱套。这件事通过网络和推特传到公众面前这一事实，无疑更是雪上加霜！但事实上，这件事恰恰突显了专业天文学家所面临的挑战。

暂现事件，就其本质而言，就是暂现的。有些暂现事件是长寿的，其他一些则不然。事实上，这也正是“雨燕号”存在的原因，就是为了让我们有能力对检测到的伽马暴作出非常迅速的响应，在触发后短短几分钟内获取X射线、紫外波段和可见光波段的数据。按照设定的程序，“雨燕号”会把尽可能多的数据直接发回地面（受限于传输带宽，我们无法把所有数据都迅速下传），并立即向值班的人发出警报。

这么做的全部原因，就是为了让我们能够迅速就某个天体发布通告，让人们能够决定是否要用其他设施来观测它。这样的迅速反应能力已经让我们作出了许多惊人的发现，比如：证实短伽马暴由两颗中子星合并所致，检测到超新星激波从一颗恒星上穿透而出，发现人类迄今所见的最遥远恒星。这还只是随手举的3个例子。

但是，这很艰难。我们的数据有限，时间也有限，必须趁着目标还算明亮的时候马上说点什么。那些能够动用大望远镜的人也必须迅速做出决定，要不要在他们有限的观测时间里，再挤出一点时间来监测这个目标。这样的挑战，是我们这些争分夺秒的天文学家，每天都会要面对的。世界上的大部分人通常是不会知道这些的，这当然是因为我们只公布和发表最终的研究结果，而在公布结果的这些研究的过程当中，正确的决定都已经被作出过了。

具体到这件事，得益于社交网络的威力，在大量研究过程中后来会被证明是错误决定中的一个，被带入到了公众的视线当中。你已经大略了解了这些决定，以及我们每天都必须要面对的挑战。所以，尽管不得不把我们也会频频犯错这样一个场景展现给你（这还是有一点让人感觉尴尬的），但这也是好事一件，向你展现了科学的真实一面。对于每一个激动人心的、极具新闻价值的科学发现来说，都有大量艰辛、努力、误报、错误、激动和失望隐藏在背后。

这就是我们赖以为生的事业。这，就是科学。

伽马暴会灭绝地球上的所有生命吗？

尽管伽马暴早在上世纪60年代就已经被人意外发现，但它们至今让全世界的天文学家困惑不已。经过了近50年的研究，理论学家提出来尝试解释伽马暴的理论，似乎比实际上真正的伽马暴还要多。

那么，什么是伽马暴呢？它们来自源于哪里？如果在我们的宇宙“后院”里来了一发，我们又会怎样？

伽马暴最早是在20世纪60年代，由美国的军用卫星发现的。一开始，美国军方认为这是有人违背了《部分禁止核试验条约》——这一条约禁止了除地下以外所有的核武器试验，包括太空。

为了监督这一条约的执行情况，1962年美国发射了维拉卫星（Vela），它能从太空中监测核爆炸产生的伽马射线闪光。

结果，维拉卫星经常能够检测到伽马射线闪光，后来苏联发射的卫星也证实了这一点。于是，每个人都想知道这个问题的答案：到底是谁老是在地球附近的太空中引爆核弹？

当然，答案是“没有人”。随着维拉卫星观察到越来越多的伽马暴，有一点变得越来越清楚了：这些闪光，既非来自地球，也非来自太阳。

为监测核试验而发射的美国维拉卫星，意外检测到了许多次伽马射线闪光现象。图片来源：NASA

到了20世纪70年代，这些神秘的闪光才被美国政府首次“解密”。他们将这些数据向天文学界公开，希望天文学家能够找到一个答案。没过多久，各种各样的理论就开始层出不穷。

美国哥伦比亚大学的物理学家马尔·鲁德尔曼（Mal Ruderman）在1974年的一次会议上说：“现在的理论比伽马暴还要多。”当时人们提出的奇怪理论包括：彗星之间的碰撞，银河系里中子星的碰撞，甚至还有来自外星人的通讯信号。

整个20世纪80年代，争论一直持续不断，但当时人们达成了一个共识——伽马暴源于我们银河系内的某些地方。

为了检验这一理论，NASA专门设计了BATSE探测器，安置在了康普顿伽马射线天文台卫星上。BATSE于1991年4月5日发射升空，以每天一次的频率发现和记录伽马暴。

BATSE能够把伽马暴定位到区区几度的天区之内，让它能够首次绘制出伽马暴在天空中出现的位置图。这张图揭露的信息令人震惊：伽马暴似乎随机分布在整个天空，根本不是银河系里的现象。

NASA的康普顿伽马射线天文台首次绘制出了伽马暴在天空中的分布图，结果发现它们并非源自银河系内。图片来源：NASA

BATSE的数据表明，伽马暴发生在极为遥远的宇宙里，距离地球动辄几十亿光年。这一发现产生一个巨大的矛盾：伽马暴太过明亮，就算用宇宙里能量最高的物理过程来解释，也解释不通。让我们能够在几十亿光年外的地球上看到的伽马暴，它必须要释放的能量实在是太大了。

唯一能够解释这一矛盾的，是这样一个想法：伽马暴发出的能量，并不是朝四面八方发散的，而是聚焦在了狭窄的光束之内，就像一个探照灯。这样一来，地球上能够看到的伽马暴所需的总能量就大大降低了。

这会不会意味着，数十亿年前远古时代的外星人建造了巨大的反射镜，把新生黑洞发出的能量聚焦到地球上，只是为了发出这样一个讯息——“看，我们在这里”呢？（实际上，这个讯息应该是“看，几十亿年我们曾经出现在这里过”，因为伽马暴从发出到抵达地球通常都要花费如此长久的时间。）

真正的答案，其实还要更加怪异。现在被普遍接受伽马暴模型都是特殊形式的爆炸，爆炸中粒子会以喷流的形式被抛射出来。你可以把它想象成高压水枪里射出的水柱。

但是对于伽马暴来说，这些“水”要替换成剥光了电子的原子，接近光速向外喷射，还要被一颗高速旋转、磁场极强、正在坍缩的恒星聚焦成狭窄的一束。爱因斯坦的狭义相对论预言，这种喷流里的带电粒子会沿着喷流的方向发出辐射。

这种喷流模型有助于解释能量过高的问题，但它也暗示，伽马暴的数量要比原先认为的多得多。换句话说，肯定还有许多伽马暴是我们看不见的，因为它们的喷流没有指向地球。

喷流模型还有一个问题，它完全没有说明爆发出那团能量的实际物理过程到底是什么。

高速旋转的大质量恒星死亡时坍缩成黑洞的过程，会形成两道狭窄的高能粒子喷流，同时形成高能辐射喷流。被喷流扫过的话，就能看到伽马暴。这种模式至少能够解释一部分我们检测到的伽马暴。图片来源： National Science Foundation (US)

但是，有越来越多的证据表明，至少一部分伽马暴与一类特殊的、高速自转的恒星坍缩过程有关，在这个过程中，整颗恒星不是坍缩成一个黑洞，就是坍缩成一颗中子星。其他伽马暴则有可能是由中子星碰撞驱动的。

我们迄今为止检测到的成千上万次伽马暴，大部分都是几十亿年前久远的过去，黑洞被创造出来时在宇宙中留下的“签名”，这一点光是想想就让人觉得非同寻常。

所以，如果在银河系里发生一次伽马暴，其中一道喷流又刚好指向地球，会怎么样呢？

很简单，对于生命来说，结果可能是毁灭性的。按照美国天文学家布莱恩·C·托马斯（Brian C. Thomas）发表的一篇论文，地球的臭氧层会被破坏殆尽，导致大量紫外辐射直达地面，可能导致大量DNA变异。

托马斯在他的论文中写道：“在多细胞生物体内，这样的效应可能导致发育迟缓和异常，改变组织构成并引发癌变。”

在久远的过去，伽马暴有可能曾经扫过地球，导致基因变异大爆发，从而影响过地球上生命的演化，甚至带来过生物大灭绝。

考虑到我们几乎每天都能检测到新的伽马暴，你大概会觉得伽马暴发生在我们附近的几率还挺高。不过，只要仔细想想大多数伽马暴发生的地点距离地球都极其遥远，你就发现，我们银河系内发生一次伽马暴的可能性其实非常小。

当然，在以数十亿年为计的地质时间上，银河系内的伽马暴曾经扫过地球，而且可能再次扫过地球，这样的可能性也不能说没有。

距离地球8000光年的WR 104，已经濒临恒星生命的末期。它死亡时坍缩成黑洞的过程，可能产生伽马暴，射向我们的地球。图片来源：astroblogs.nl

至少，有一颗大质量恒星值得我们关注，那就是位于银河系内、距离地球8000光年的WR 104。澳大利亚悉尼大学的天文学家彼得·塔特希尔（Peter Tuthill）发现，这颗恒星已经濒临死亡，总有一天会爆炸成为巨超新星（hypernova），然后坍缩形成一个黑洞。

WR 104的自转轴差不多指向地球，所以如果它坍缩时真的产生伽马暴的话，伽马暴的喷流就会指向地球。

那它什么时候会炸呢？可能会在明天，也可能会在好几万年之后。谁知道呢？