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时间：2005年11月6日
地点：北京汇文中学

　

探寻宇宙深处的神秘爆炸
马宇倩，中国科学院高能物理研究所
讲座(一)　 讲座(二)　 讲座(三)　 讲座(四)

　　今天我要讲的是“探寻宇宙深处的神秘爆炸”，副标题是“神舟号上的空间天文观测”。包括了以下几个方面的内容：
　1，我们所了解的宇宙广阔无垠。
　2，来自宇宙空间的信息却是非常微小的“粒子”。
　3，高能电磁辐射和空间天文。
　4，地球上的核爆炸、太阳耀斑、超新星和宇宙伽玛暴。
　5，为什么对宇宙伽玛暴的研究那么有吸引力。
　6，神州二号上的宇宙伽玛暴探测。
　7，神州二号上怎样实现对伽玛暴的捕捉。
　8，对观测数据我们做了什么？得到了什么？
　最后讲一点体会：永远不要放弃对探索未知世界的兴趣。

第一个问题，我们所了解的宇宙广阔无垠。
　　我们现在知道太阳和地球之间的距离，我们用一个天文单位来表述，就是1AU，这一个天文单位相当于1.496×10的13次方厘米，太阳光从太阳发出来到达地球，因为是光速传播，需要八分钟，我们地面上的光是8分钟以前太阳发出来的，这里有一个距离和时间的关系。
　　银河系当中有1000亿个太阳质量，总的质量。秒差距是什么意思？相当于3乘10的18次方厘米的距离，等于3.26光年。光年是天文当中经常用的一个单位，学术上比较习惯的是秒差距。一个光年就是一个光子按光速传播走一年所走的距离，所以光年是一个距离的概念。光从银河系中心到我们的太阳系，因为那个时候地球在（太阳系的）哪里，木星、金星在哪里已经不重要了。这个时候要走多少年呢？要走两万八千年，是8.5千秒差距乘以3.26，就是28000光年。银河系是一个星系，离我们最近的类似银河系的漩涡星系是236万光年。离我们最近的星系大麦哲伦星云，虽然跟银河系不太一样，比银河系要小的一个星系距离16万光年，直径是银河系银盘直径的二分之一。想一想，从最近的星系到达我们这儿要花16万年。倒过来想，现在在地球附近看到来自这个星系的一个光束或者一个光子，相当于16万年以前在它来的那个地方，比如说在那个时候、在那个地方发生的天文现象。
　　除了星系以外，宇宙若干个星系可以组成一个星系团，聚合在一起。如果说一个视见的宇宙，它的物质也不是均匀分布的，有很多“空”的地方，密度不均匀。星系集合在一起，我们把它的叫做“星系团”，或者叫“星系群”。最近的一个“星系团”或者“星系群”是室女座星系团，距离16个Mpc，M代表10的6次方，叫兆秒差距，乘3.26相当于五千万光年。离银河系所处的星系团最近的外面的一个星系团距离我们五千万光年，含2500个星系。由若干个星系团聚合在一起，又组成超星系团，超星系团的太阳质量相当于10的15次方到17次方倍。同学们可以看到这里有几点，一个是距离的概念，另外一个是数量，都是在10的肩膀上，都是按指数往上涨的，10倍的，这个时候小数点已经不重要了，1乘10的15次方还是5乘10的15次方，在我们的脑子里都是同样的数量级内，一个量级就是10倍。
　　我们现在认知的宇宙有多大？我们经常讲宇宙是广阔无垠的，但是我们认知的宇宙总是有限的。以前叫总星系，宇宙的大小是一百亿光年。我们要了解这些，主要要了解距离代表着时间，代表着宇宙演化的过程。也就是说如果我们在地球附近测到不同距离的天体发射出来的光，就相当于知道了这些天体在不同时间段的演化过程，相当于同类天体不同时间的辐射。比如我们要研究星系，有遥远的星系，有邻近的星系，如果能看到远处的，就是多少光年以前发生的事情。所以，天文当中的研究一定要知道天体的距离，就能知道你现在研究的是发生在什么时候的事情。天文的现象不断重复，要研究同类的东西，可以从近处、远处、中处，研究整个演变过程，时间演化过程。还有一个是同样光强，在地球附近测到的同样光强的流量F，代表着不同的原始的总流量L，它等于我们观测到的流量F乘以4πD2，D就是天体离我们这儿的距离。研究一个伽玛暴在哪儿产生，关键是从多远的距离到了我们这儿。我们从地球附近一个很小的地方看它，知道了距离，就可以知道总能量，假定伽玛暴是一个球形发射，观测的值很小，每平方厘米每秒多少，但是乘以4πD2，距离越远就代表着总流量越高，这是我们必须要知道的基本知识。
　　有几张图，比如在银河系的边缘看银河系，还有最近的和银河系一样漩涡星系，就是右边的图叫仙女座，大的叫大麦哲伦星云，小的叫小麦哲伦星云。

　　第二点，来自宇宙空间的物质却是十分微小的粒子。虽然大家不一定都学过物质结构，但是要知道一点，物质由分子、原子组成，一个原子的尺度到了10的负8次方厘米，叫一个埃。用A上加一个小圈来表示。电子绕着原子核转，实际上原子很空，为什么很空呢？里面的原子核是10的负13次方厘米，也就是说原子核是原子大小的十万分之一倍，电子在外头，绕着原子核转的时候，有很大的空间。从天体微观的无限小到宏观的宇宙，都是按10的方幂讲话。宇宙中的物质是由原子、分子、离子、原子核、电子、光子、中微子等微观粒子形成的巨大的集合体。比如说太阳不是固态的，而是气态的，看着它是个球，它不是实心体，是气态的，在太阳上发生剧烈的热核反应才会发光，这是它发光的主要能源。
　　研究宇宙当中的天体现象，一定要联系到基本的粒子和等离子体，把原子核和电子分散开了。天体当中的许多物质是以离子状态存在的。来自空间的物质样品有以下几种。一种是陨石，陨石是掉在地面上的天体的石头块，那是宏观的，所以掉下来的肯定很近，不可能是远处。还有太阳风，从太阳当中发出的高能粒子吹到地球上，地球是一个偶极子场，磁极就在地球自转轴的旁边，磁场从北极到南极。太阳风可以把地球的磁场吹向一个方向，这是从太阳来的等离子体，但是能量比较低。还有来自太阳系外的微观粒子，叫宇宙线。宇宙线包含带电的高能粒子，就是质子、原子核和电子，带电粒子在传播的过程当中会改变方向。带电粒子给我们的样本不太好用，什么意思呢？如果我们想通过测量带电粒子了解宇宙空间当中某一个特定天体，就很难了，因为它在宇宙空间传播当中拐了很多弯，因为星系之间有星系际磁场，恒星之间有星际磁场的存在，尽管很弱，但是路程非常长，几千万光年，粒子就转了方向。从带电粒子研究天文和天体现象，困难比较多，主要是不能研究源头，从哪儿来的。能够告诉我们从哪儿来的唯一物质就是电磁辐射。
　　现在的宇宙，大家在晚上眼睛能看到的是银河系的亮带和发光的星星，或是用光学的方法，就是把光聚起来，用望远镜看到的。这里还有一个概念，天文距离的光都是从遥远天体来的，这个时候地球是一个点，天文研究的光全都是平行光。一个接收面，光下来，均匀地落到接收面上。光学望远镜相当于把方向不同的平行光经过一个透镜聚焦到焦面上，就能形成一个小天区的像。这也是一个重要的概念。

　　现在讲第三个问题：高能电磁辐射和空间天文。
　　我们现在讲的可见光在电磁波里是非常窄的一段，兰色光大约4000埃，到红色光大约5600埃。而电磁辐射覆盖的范围非常宽，包括无线电波、可见光、和高能电磁辐射，这里里要讲一个概念，叫光的波粒二重性。我们观测可见光时是利用它的波动性原理，光不能穿透一般的物质表面，必须要用透镜聚焦对可见光进行观测。
　　1933年人们发现了来自银河系的射电辐射，以后发现了微波背景。再以后发现还有更高能的辐射，在高能电磁波的波长比可见光的波长短很多，短到了相当于一个原子核尺度的时候，这个时候辐射的穿透性非常强，X光透视机已经是波长很短的X射线。更高能的X射线可以有很强的穿透性，这样的电磁波叫高能光子。用一个公式E＝hν=hc/λ表示，h是常数，可以先不管它，ν是频率，一个光子具有的能量E，跟频率成正比，频率如果间断的，粒子的能量也是间断的。V等于光速除以波长λ。发现了电磁波在能量高的时候有粒子特性。这时讲高能光子就不讲波了，粒子的波长太短了，短的比原子还小，在这个尺度上就是一个一个的粒子，除非比它更小才能看见波的变化。蓝色光的光子是什么概念呢？是4000埃，能量是3.1电子伏特，一个电子在1伏电压下的运动所具有的能量，如果是1埃波长，能量是12.4keV，k就是1000，12400电子伏，差了4000倍。一个原子核那么大，能量是1.24，我们把它叫做GeV，10的9次方，都是为了省事，在学术界通常用的单位。波长小于1埃的高能电子辐射主要表现为粒子性，用能量来表达，可以实现单个测量，单个记数，这个时候不能用任何测量光波的设备对它进行测量，而是要用粒子探测器。关于粒子探测器，我今天就不做介绍了，大家知道就行了。
　　有一个实例，刮向地球的太阳风受到地球磁层的保护。太阳风在动，太阳风吹过来，地球磁场的尾部被吹成片状，前面是磁层顶，地球在这儿一点点大，太阳风这么吹过来，就把地球的磁场吹成一个长尾巴。告诉大家，我们能够生存这个地球上，地球磁场对我们是很大的保护，把低能粒子全部给“顶”掉了，吹不到里面来。这是一个例子。
　　观测和研究高能光子就涉及到高能天文学了。1800年以前主要是光学天文，从伽利略发明望远镜开始。1933年7月8日， Karl Jnsky发现来自银河系射电辐射，射电天文学诞生。1962年发现宇宙X射线源SCO－X1，才有了X射线天文学。1968年有了伽马射线天文学。1987年诞生了中微子天文。高能光子有极强的穿透力，不受磁场的影响。可以直接告诉我们发生在天体深层的作用过程，就是因为波长特别短，能够穿透周围很多物质，这样就能告诉我们在天体深层发生的事情。
　　不同能量的高能光子反映不同的物理过程，不同的物理过程产生的光子能量是不一样的。高能天文向人们打开了认知不可视见的宇宙的窗口。打开了一个完全是人的肉眼和光学望远镜看不到的世界。空间天文就是把探测装置放在人造卫星上进行的天文观测，高能天文是空间天文的主战场，为什么这么说呢？就因为地球大气有一千克，一个大气压是一千克的物质，大气一千克每平方厘米的压力。每个人肩负的重压有一千克，一千克物质会吸收掉很多X和伽马射线，所以必须穿过地球大气层，到外空去看。1962年才发现第一个x射线源，就是因为火箭可以发上去了，人造卫星上天了，这个设备装在火箭上发现的X射线源。
　　这张示意图，现在我们知道的全波天文时代，波长、频率，温度和能量的关系，紫外、红外、可见光波，X和伽马射线。地球大气对应下来的吸收，吸收掉了70％以后的对应的高度，多少公里。到了伽马射线、X射线，在卫星上才能看见。从这个能量开始火箭就可以看了。下面能到达地球的，飞机上可以看的这个波长。可见光是地面的，红外是地面可以看到的。所以地面对天文的窗口非常小。
　　问：高能光子为什么不能穿透大气层？
　　马宇倩：因为地球大气层还是太厚。光子的穿透能力，跟它的能量有关。对不同能量的高能光子，大气的吸收也不同，到150公里70％就没有了。到了这个能段就可以穿透了。更高能量的高能光子是在地面测量的。关键是大气和它相互作用以后，使它变了，得不到原初的。因为测到了很多是大气作用的产物，测不到它自己了，70％都是次级的光子。
　　这几张图是几个观测实例，蟹状星云的光学、红外、紫外波段的照片。中间的铃状的就是最新的X射线的成果，最近的成果没有几年的时间，在《自然》杂志上发表的。中间看到一个点，像铃噹一样，辐射不是各向同性，真正把超新星经过爆炸以后中心的中子星，中子星在那儿的转动，甩出来的物质就变成铃噹状的，都拍出来了，而残骸是光学的，这张图片是非常经典的。这张图片出来了，人们对微观世界的认识就可以深入到这一层了。这张是超新星爆发后星云的例子，把射电、X射线、和光学这三个测量结果凑在一起，对这样的天体，气体往外辐射的过程，红色的是射电测量，表明在向外膨胀的冲击波，蓝色的是X射线，表明要束缚冲击波的被加热的反向运动的气体，绿色的是光学的，像叶子一样散散的，是氧气。对天体现象有一个全波的研究、了解，就完全比可见光拓展了。这是一个星系团，中间的是X射线天文卫星得到的结果，亮亮的细丝有20万光年这么长。右边的是3.6厘米射电，左下角是光学的，光学只能告诉我们一个笼统的全局的光的发射，而X射线能告诉我们它的深层现象。

　　第四个问题，地球上的核爆炸、太阳耀斑、超新星和宇宙伽玛暴。
　　核爆炸的时间非常短，炸弹一炸，东西就没有了，弹片就喷射出去了，一次核爆炸的总能量大约是10的20次方尔格。太阳耀斑是由太阳表面局部磁场的激烈活动造成的，包含了光学耀斑、软X耀斑，其中高能的叫太阳质子事件，还有一种在地面上都可测到的叫做GLE事件，即在地面探测器上留下的增长，太阳耀斑大小不同，有这么多类，它的X射线能量在10的30次方尔格以上，太阳上的一次耀斑是地面上100亿个原子弹的能量。日本扔过两个原子弹造成的后果是什么，大家都是知道的，那么可以设想，100亿个原子弹的能量有多强。超新星是什么？恒行演化晚期辐射不平衡造成的，一个是引力，一个是里面不断的热核反应，要往外膨胀，不平衡了，就会让一颗星爆炸了。总的光度可以达到10的51次方尔格。10的51次方经历比较长的时间。宇宙伽玛暴是在遥远新星当中恒星量级的爆发，这个结论是最近才有的。
　　关于太阳耀斑和人类生活的关系。太阳耀斑有时又称太阳黑子爆发，是太阳活动期日面局部的剧烈活动，它会出现比太阳表面还亮的光耀斑，或者由高能电子抛射造成的辐射形成了一种X线耀斑。X射线耀斑是高能粒子造成的，生成的X射线。一个M级的太阳耀斑会造成对短波通讯高端的干扰，一个X级的耀斑将会使阳光照射的半个地球范围内整个通讯的中断。我自己经历了，2001年“神舟”号上了天以后，经历了三次大耀斑，4月2号的X20级耀斑，5号X5.6级耀斑，4月15号X14级耀斑。有两个时间，一次是我正好在路上，手机开着，人家说打电话找不到我，后来一看是耀斑发生了，我的手机不灵。我的手机不灵过两次，短波通信中断。太阳耀斑的总能量虽然比伽玛暴要低得多，但是距离近，所以到达地球的流量差不多，流量和距离是平方反比关系的。
　　太阳耀斑的特点，一个爆发区的尺度大概是一万公里，一个耀斑的总能量， 大约是30次方到32次方尔格，起源是热核反应，比较慢，持续时间一秒到一千秒，上升时间，从不爆发到爆发极大，有一个流量的上升过程，上升时间是0.1秒到1秒左右。
　　这里放的是一次太阳日冕物质喷射事件，叫CME事件，时间是2003年10月26号，太阳的发光面被遮挡后，可以看到太阳表面的物质的抛射。这是另一个，卫星跟着走拍出来的，时间是2004年7月1号－7月28号，27天中日面的活动，耀斑爆发的持续的时间比较长。
　　宇宙伽玛暴是什么特征呢？主要能区是在核反应能区，持续时间非常短，0.1秒到100秒左右，100秒就是1分多钟，就在说话之间一个暴产生了又消失了。上升时间是0.01秒到秒的量级，它的尺度是光速乘上升时间，1千公里，太阳那么一个局部的区都能到一万公里，从太阳系外来的伽玛暴只有1千公里那么大，尺度非常小。出现的特点是随机的，各向同性的，有余辉。
　　这里也有几个视频文件，可以说明一个爆发产生的可能性，以及一起对爆发量的测量效应，平常没有暴的时候，仪器有一个计数。当有爆发产生时计数会突然涨高，简单地说是每秒钟的计数，光子数从例如每秒钟10个到达探测器，现在变成了每秒钟50的到达探测器。这些图都反映了一些爆发。这是一个伽玛暴，一次爆发结束以后还有小的爆发跟着，60秒，15秒，还有各种各样的形态。维拉卫星，是美国的系列卫星，维拉A、B、C，上面都装了一个核爆炸的探测器，专门监测地面的核爆炸现象，一个很简单的伽玛射线探测器，不断地发现有这样的涨高，1967年以后记录到来路不明的爆发，不像是地面上的核爆炸，后来他们想办法改进分辨能力，用了两个探测器，希望探明一下爆发的方向，到了1972年发表了一篇文章，宣布他们测到了一种爆发现象，既不是来自太阳，也不是来自地球，而是来自外太空，太阳系外的宇宙空间，所以起了个名叫宇宙伽马射线暴。这是一个重大的发现，1972年发现，反过来再到维拉卫星数据中找，从1967年以后，一共观测到了十几个暴。结果发表以后其他卫星上的监测器也测到了宇宙伽玛暴。