1991年4月5日
风驰电掣的伽马射线暴
在宇宙里，有许多现象非常奇特，也异常暴烈，其中最有名、最神秘，也最暴烈的就是伽马射线暴。
伽马射线是一种波长比X射线还短的电磁波，它的波长只有0.001纳米（1纳米是10-9米），这是一种贯穿力极强、杀伤力也极大的射线，如图1所示。它的大爆发，可以在几秒或几十秒内使能量达到超新星爆发的几百倍，甚至是太阳终其一生即100亿年所发出能量的总和。1999年1月23日，人们捕捉到一次最强烈的伽马射线暴，根据所记录的数据，在几秒钟内，其爆发的能量竟然是银河系2000年内总星体发出能量的总和。在这几秒的时间内，爆发源再现宇宙大爆炸0.001秒后的高温、高压与高密状态。
图1
伽马射线暴爆发时，其射线能直接贯穿太阳系、银河系，甚至全宇宙，它们风驰电掣，猛烈异常。对于有机生命来说，遭遇伽马射线暴是件非常危险的事。它能直接破坏细胞，造成基因突变，由它所造成的高压与高温更可以摧毁和吞噬一切。然而，令人奇怪的是，为什么存在如此激烈的天文现象，人类竟然长时间浑然不知呢？原来，人类生活的地球被厚厚的大气所包围，外来的电磁波被大气所吸收，使我们对外界的很多事并不知晓。尽管伽马射线暴如排山倒海，但受到铜墙铁壁般的大气保护，人类和万物得以长存。然而，有一种说法认为，在2亿多年前，由于伽马射线暴和同时产生的雷电曾造成地球生物的一次大灭绝。
伽马射线暴也是一个令天文学家感到困惑的现象。它来无影去无踪，在几秒或几十秒内突然爆发，又瞬间消失。如此巨大的能量短时间爆发一定与高能量星体密切相关，但它是如何在这么短的时间内产生的呢？它的爆发与高能量星体又有什么关系呢？它们又携带着什么信息呢？找出这些问题的答案，对天体的生命机制、星体演化，甚至宇宙的创生与演化具有十分重要的意义。
在宇宙里，虽然伽马射线暴是一种常见的现象，然而在地球上被人们所感觉到却是罕见的事。得知它们存在纯属偶然。20世纪60年代末到70年代初，处于“冷战”时期的美国出于军事目的，先后发射了几颗卫星，本来打算利用它们探测核闪光，以寻找未经核准的核爆炸事件。然而，歪打正着，核闪光没有发现，却捕捉到一个对事后发展更有意义的重要线索。
1967年，一颗名叫维拉的卫星记录了一个能量极高的伽马射线强光辐射。这件事震惊了美国人，更引起五角大楼一片惊慌。难道苏联竟然到太空去试验核武器了吗？然而，随后的陆续观测发现，这种射线暴并不只发生一起，它们来自宇宙的不同方向，大体上呈现均匀分布。它们究竟来自何处？又是如何引起的？是否只限于银河系内？一时众说纷纭，有的问题至今尚无定论。但有一点是肯定的，即这是宇宙间的一次超高能量在极短时间内的大爆发。这一现象立刻引起了科学界，尤其物理学、天文学和宇宙界的极大兴趣。
由于被地球的大气所吸收，伽马射线很难穿透到地面，要研究伽马射线暴，必须在大气外面搭建观测平台。为了进一步研究和开发宇宙，美国国家航空航天局决定把天文观测的平台搭建在太空上，于是制订了一个大规模的轨道天文观测计划。这一计划将令4种轨道观测设备先后升空。它们分别是：哈勃空间望远镜、康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线观测台和斯皮策空间望远镜。这4种观察设备工作在不同的波段，伽马射线及其余晖的电磁波谱覆盖在可见光波段、射电波段甚至扩延至X射线波段。经过十余年的观测，每台都在自己的领域内做出了重要贡献。这一大规模的重要举措对新世纪的天文学和宇宙学的理论及实验进展起到了划时代的作用，其成果改变了人类对宇宙的认识，成为天文学和宇宙学研究的里程碑事件。
1991年4月5日，康普顿伽马射线天文台利用“亚特兰蒂斯”号航天飞机搭载升空（图2），成为天文学研究史上的一件大事。康普顿伽马射线天文台是一颗专门研究宇宙伽马射线的天文卫星。它距地面的高度是450千米，重17吨，是紧接着哈勃空间望远镜之后升空的第二台轨道天文观测器。当哈勃用折射式望远镜工作在可见和不可见光的光波波段上时，康普顿携带4个安装在不同方位上的探测器，采集来自不同方向的高能伽马射线辐射。在天体辐射中，伽马光子的数量比光波段光子少得多，康普顿伽马射线天文台携带的这4个探测器功能必须强大，其精度也必须达到前所未有的水平，以便能迅速而直接地记录瞬间爆发的伽马射线暴。除此以外，在其上还有定向光谱仪和康普顿望远镜及伽马射线望远镜等。
图2
升空之后的康普顿伽马射线天文台果然不负众望，几年来的观测成绩卓著。它先后记录了2600多次宇宙伽马射线暴。利用这些信息，天文学家和宇宙学家们对伽马射线暴进行了起源和分类研究；康普顿还发现了人类迄今为止尚未知晓的伽马射线源30多个；探测到了发自黑洞、类星体、超新星、爆发恒星，甚至来自太阳的伽马射线；帮助天文学家确定黑洞是如何引发X射线和伽马射线，并如何以光速把这些射线喷射出去的。图3是计算机模拟超新星爆发时的伽马射线暴图。
图3
伽马射线暴的成因至今尚未定论，但观察结果表明，在伽马射线暴爆发后，随即有“辐射余辉”出现，余辉持续时间较长，波长也较长，其中包括X射线、紫外线、红外线、微波和无线电波等。余辉带来的信息至关重要，从中可以发现伽马射线暴的来源。据分析，它可能来自超新星或超超新星的爆发，也有可能来自大质量星体晚期的塌缩。当恒星的核燃料即将消耗殆尽时，核聚变的辐射压力不足以抗衡自身引力，老年的恒星将向内塌缩，变为中子星、脉冲星或黑洞。在高速塌缩时，恒星物质彼此碰撞就可能产生伽马射线暴。此外，还有可能来自双中子星合并时的碰撞等。然而，这些能源大多距离地球千万光年之遥，也就是说，发生能量大爆发的时间是千万年前的事情！想想看，相比之下，人类该是多么的渺小。图4是模拟星体塌缩，恒星演化成黑洞时，辐射伽马射线暴的过程。
图4
几千次的射线暴记录证明，它们来自宇宙的各个方向，且均匀分布，这一特征正与星系和类星体在宇宙中的分布特征相似，符合宇宙学原理，而与银河系的分布并不相同。由此表明，伽马射线暴并非来自银河系内，证实了天文学界少数派帕金斯基等人的判断，结束了长时间的天文学争论。
值得一提的是，康普顿伽马射线天文台使命的结束，这是令人怀念，也是非常壮烈的一幕。康普顿伽马射线天文台的设计寿命是5年，但它超期服役了9年。1999年年底，它的“健康”终于出了问题——一个控制卫星姿态的陀螺仪因球状轴的故障而失灵。控制卫星姿态需要两个陀螺仪同时工作，其上三个陀螺仪只剩两个，本来还可以坚持工作。但是，在没有备份的情况下，这样做也意味着危险，万一它运行到人口稠密地区的上空时，另一个陀螺仪也突然失灵的话，将会使它瞬间失控而坠落，这将是非常冒险的。在2000年的5月6日，在最后一次传回太阳观测资料后，美国宇航局忍痛割爱，毅然启动卫星上的一系列点火装置，把它指引到太平洋上空。功勋卓著的康普顿伽马射线天文台瞬间在穿越大气层中烧毁，其碎片散落到夏威夷南的海域中。
工作了9年的康普顿伽马射线天文台硕果累累。它对宇宙伽马射线暴的探索结果，对于人类认识宇宙，特别是研究宇宙起源，认识极端状态下的物理现象，发现超常规律具有非常重要的意义。为了表彰伽马射线暴研究领军人的功绩，2011年，短暂爆发实验研究室主任杰拉尔德·菲斯曼（Dr. Gerald Fishman）（图5）和卫星建造与升空实验研究带头人恩里柯·考斯塔（Enrico Costa）（图6）共获邵逸夫天文学奖。
图5
图6
关键词：康普顿伽马射线天文台，伽马射线暴，杰拉尔德·菲斯曼，恩里柯·考斯塔，Compton Gamma Ray Observatory，gamma ray bursts，Dr. Gerald Fishman，Enrico Costa
图1：http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_burst
图2：https://spaceflightnow.com/cgrodeorbit/index.html
图3：http://www.abc.net.au/science/arti-cles/2010/01/28/2803839.htm
图4：http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_Gamma_Ray_Observatory
图5：http://blog.al.com/breaking/2011/06/huntsville_nasa_scientist_shar.html
图6：http://www.shawprize.org/big5/shaw.php?t-mp=6&twoid=71&threeid=194