高能与多信使天体物理

高能天空

夜里抬头,你看到的是恒星——温暖、发光的气体球,很像我们的太阳。那是可见光下的天空,基本上讲的是被温柔地加热到几千度的物体的故事。但用 X 射线和伽马射线的眼睛去看,同一片天空却完全不同。安静的恒星淡去,一个暴烈的新天空亮了起来:爆炸的恒星、飞速旋转的中子星、坠入黑洞的旋转气体,还有亮到能在一瞬间盖过整个星系的爆发。这就是高能天空。

X 射线和伽马射线只不过是波长极短、因而每个光子能量极高的光——比你眼睛用的光高出上百万到上十亿倍。一个可见光光子携带约 2 电子伏特的能量;一个 X 射线光子携带几千电子伏特,而一个伽马射线光子携带几百万甚至更高。这样的辐射很少来自仅仅温暖的东西。它来自被加热到几百万度的物质,或来自被磁场和激波抽打着飞奔的高速粒子。地球大气几乎把它全部吸收,所以在我们从 1960 年代起用火箭和卫星把探测器送到大气之上以前,这片天空一直是看不见的。

高能天空之所以重要,是因为宇宙最极端的物理就发生在这里。在这里发光的天体——超新星遗迹、脉冲星、X 射线双星、活动星系核、伽马射线暴——都是天然的实验室,达到的温度、密度、磁场和粒子能量是我们在地球上永远造不出来的。研究它们,正是我们了解物质在被推到极限的引力与压力下如何表现的途径。一个常见的误解是:“高能”意味着有危险的射线倾泻到我们身上;其实它几乎全被大气高处挡住了,而这恰恰是我们必须上太空才能看见它的原因。

在可见光下,蟹状星云只是一团暗淡的污迹。在 X 射线下,同一块天空却光芒四射:中心一颗微小的旋转中子星不断把能量泵入一团发光的超高速粒子云,使它在比肉眼可见高出十亿倍的能量上亮起来。高能天空揭示出一台引擎,而可见光天空对它几乎只字未提。

同一片天空,用 X 射线和伽马射线去看,把温柔的恒星换成了暴烈的引擎。

高能辐射并不单靠高温——其中很大一部分是“非热的”,由磁场中的高速带电粒子产生,而不是由炽热气体产生。所以一个暗淡、看起来很冷的天体,只要它能加速粒子,照样能在 X 射线下光芒四射。

又称
X-ray and gamma-ray sky高能宇宙高能宇宙