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黑寡妇与巡游者

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天空中有多少颗星星?提出这个问题的可能多是诗人或是恋爱中的情侣,但是天文学家们显然对这个问题也怀有浓厚的兴趣,他们为此还发射了一颗空间望远镜进行探测。2008年6月11日,美国航空航天局、美国能源部以及德国、法国、意大利、瑞典等多国政府联合发射了一颗“费米伽马射线空间望远镜”,在地球的近地轨道运行,它可以不停地大面积巡天观测,主要用来收集、分析源自宇宙各处最终到达地球的伽马射线。
  伽马射线是一种具有极高能量的电磁波,它可以穿越宇宙中层层迷雾到达地球。对宇宙中的伽马射线进行精确分析,就有可能对宇宙有更详细的了解。费米伽马射线空间望远镜在地球近地轨道上4年多的探测里,地球上的科学家们分析它接收到的宇宙中各种来源的伽马射线。
  科学家们使用了一种对照方法,有些伽马射线在最终抵达费米伽马射线空间望远镜的探测器之前,穿过了宇宙中的层层“光雾”,这种光雾是由恒星发出的星光构成的。这种主要由可见光和紫外线构成的光雾一直在宇宙中游荡,即使在曾经发射光芒的恒星停止闪耀之后,它们依然存在,这些光线是恒星曾经存在的证据。科学家们正是通过对比穿过重重光雾到达地球的伽马射线与距离地球更近的没有穿过太多光雾直接到达地球的伽马射线来推算宇宙中的光雾特性,进而估算出了宇宙中耀变体中恒星的密度。他们得出的结论是,宇宙中平均每1000亿立方光年的空间中只存在1.4颗恒星,平均每一颗恒星与它最近的邻居要相隔4150光年——天上的星星远没有人们在夜空中看到的那样拥挤。这个结果在2012年11月2日被发表在《科学》杂志上。
  除此之外,费米伽马射线空间望远镜还有一些奇特的发现——在宇宙中穿梭的伽马射线,有很大一部分来自超新星爆发的残骸或是活跃的星系核,但是还有很大一部分难以确定来源。斯坦福大学的物理学教授罗杰·罗马尼(Roger Romani)对这些难以确定来源的伽马射线充满了兴趣,经过进一步研究和辨认,他发现一些难以确定来源的伽马射线可能出自宇宙中一种非常奇特且罕见的天体——黑寡妇脉冲星。
  脉冲星是一种奇特的天体。一些老年恒星在燃料耗尽后发生超新星爆炸,之后因为自身的引力发生塌缩而成为体积极小的天体,这种天体因为其自身巨大的引力,使它的电子都被压缩到原子核内部并入质子成为中子,这种极为致密的天体被称为中子星。中子星具有强大的磁场对外辐射,有一些高速旋转的中子星就如同是宇宙中的灯塔一样不停地向各个方向发射辐射信号。对于固定的观察者来说,这种高速旋转的中子星就像是不停地对着某一个方向发射脉冲信号,因而被人们称为脉冲星。英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生乔斯琳·贝尔(Jocelyn Bell)在1967年发现第一颗脉冲星的时候,还以为这种极有规律的辐射是外星人为了与地球人进行联系而发来的信号(她的导师安东尼·休伊什因为脉冲星的发现而获得了1974年的诺贝尔物理学奖)。现在人类已经发现了上千颗脉冲星,但是以一种剧毒蜘蛛来命名的一类脉冲星——黑寡妇脉冲星,仍然少见。
  黑寡妇蜘蛛除了剧毒之外,还有一个特点,就是在交配之后饥饿的雌蜘蛛可能会吃掉体型较小的雄蜘蛛,科学家们正是因为这个特点而命名了这种奇特的脉冲星。黑寡妇脉冲星存在于双星系统中,与一个伴星相互围绕旋转。一个变老的脉冲星,会因为失去能量而逐渐放慢自旋的速度,但在这个过程中,黑寡妇脉冲星则会渐渐把它的伴星的物质掠夺过来,使它自身的能量得以提升,因此自旋的速度也就越来越快,犹如“返老还童”。失去自身的物质并不是伴星最大的厄运——获得新能量之后,黑寡妇脉冲星的自旋开始加快,同时开始以极高的能量辐射伴星,受到辐射的伴星可能会因此表面温度急剧上升,因而很快被“蒸发”消失。
  罗马尼怀疑,至少有两颗黑寡妇脉冲星发射的高能伽马射线穿透了它自身的等离子体迷雾,被费米伽马射线空间望远镜接收到。为了验证这个猜想,罗马尼需要观测到这两颗极度危险的黑寡妇脉冲星的伴星。罗马尼认为,这些伴星因为受到辐射被加热到了极高的温度,人们可能在可见光的范围内发现它们。因此,罗马尼在几个不同的天文台,通过光学望远镜观察这两个发射出高能伽马射线的源头,发现它们的附近各有一颗星星交替显现出亮蓝色和淡红色。罗马尼认为,这种交替出现的颜色正说明这两颗伴星旋转到望远镜近段和远端的两种状态,进而证实了他的猜想。
  与危险的黑寡妇脉冲星相比,天文学家在银河系中心的发现则可能带给人们更多的启示。美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的天文学家安德里亚·吉兹(Andrea Ghez)领导的研究小组多年来一直专注地把目光投向银河系的中心。在1998年,吉兹证明,在距离地球2.6万光年的银河系的中心,存在着一个质量为太阳的400万倍的超大型黑洞。尽管受到一些人的怀疑,吉兹领导的研究小组多年来一直坚持对这个区域的研究。
  2012年10月,吉兹的研究小组报告说,他们通过坐落在美国夏威夷州莫纳克亚山顶的凯克天文台(W.M.Keck Observatory)光学望远镜的观测,相继发现了两颗恒星在距离银河系中心超大黑洞极近的轨道上运行。就像是太阳系的行星都以太阳为中心进行公转一样,在银河系中心的超大黑洞由于其自身巨大质量形成的引力吸引了周围的恒星围绕它旋转。吉兹此前已经发现了超过3000颗恒星围绕着这个黑洞旋转,但是大多数恒星旋转的周期都在60年以上,这让一个天文学家在一生中很难进行有效的观测。而新发现的这两颗恒星,与这个超大黑洞非常接近,运行的周期也要短得多,分别为11.5年和16年,这是距今为止发现的距离这个巨型黑洞最近的两颗恒星,天文学家们可以利用它们进行各种观测。
  这两个围绕银河系中心黑洞运转的恒星给天文学家们提供了绝好的机会,可以通过研究这两颗恒星的运动方式来了解这个在我们星系中心的超大黑洞如何随着时间生长,同时也可以了解这个超大黑洞在银河系中的作用。除了天文学,在理论物理学方面,这两颗恒星的运行方式也给了物理学家们一个绝佳的机会来检验广义相对论。
  广义相对论已经诞生了将近100年,正是由于它的出现才开创了宇宙学。如同当年人们观测太阳系行星的运转轨迹与牛顿力学定律的预测相同,使得牛顿力学在300年来都被认为是物理学不可动摇的法则;广义相对论自从诞生至今,它对宇宙的一切预测后来都被证明是正确的,人们的日常生活也受到广义相对论的影响:GPS定位系统就需要根据广义相对论随时进行修正。尽管如此,广义相对论还从来没有在黑洞周围被检测过,它预测了时空会因质量而扭曲,而对于黑洞这样密度质量极大的特殊天体,根据广义相对论的预测,在它周围的时空将被极大地扭曲——在这种极端条件下,广义相对论是否还适用,将是物理学家们关心的一个问题。这两颗恒星围绕黑洞运转的轨道不会是完美的椭圆形,当它们彼此接近时,因为自身质量造成的时空扭曲将会给它们的轨道带来干扰,这正是检验广义相对论的最好时机。
  黑洞因为其自身巨大的质量产生引力,吸引周围的天体围绕着它旋转,这方面与其他天体并没有什么不同,但是因为它会吸收接近它的一切物质,甚至是光线,因此对于观测者来说,他们向黑洞的方向望去只是一团漆黑而已。因此,这两个距离黑洞极近、围绕着它旋转的恒星,对于地球上的观测者来说,只是在围绕着一片虚无运转,就像是两个在银河系中心从不倦怠的巡游者。
  对于人类来说,茫茫的宇宙就像一个隐藏了无数秘密的黑暗丛林,令人惊叹且畏惧。人们在未知的宇宙丛林中点燃了目前仍然微弱如烛火的科技之光,发现了“黑寡妇”和“巡游者”这样令人称奇的天体。但是宇宙最深的秘密,仍然深深地隐藏在黑暗之中。

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