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夜空中的21个全新星座!

作者: 来源: 时间:2019-08-15

在不久前的10月18日,美国航天局(NASA)宣布,天空中将新增21个全新的星座。不过,天文爱好者们先不着急在夜空寻找,因为这些星座无法用肉眼看到。其实,这些星座是由宇宙中最极端的天体——伽马射线源构成的。NASA以此来庆祝高能天文卫星的集大成者——费米(Fermi)伽马射线空间望远镜入役后的第10个年头。

千百年来,繁星点点的苍穹景观即已为人熟知。很早之前,生活在不同地域、不同国家的人们就结合各自的文化与传说,为星点连线赋予了现实或幻境中的形象,定义出了不同的星座体系。对于今天每一个想认识星空的人来说,20世纪上半叶由国际天文学联合会(IAU)确立的88个现代星座都是最直观的出发点与依据。这些星座的形象有的沿袭自古希腊神话,甚至还可以上溯到更早的两河流域诸文明;有的则是更晚近的大航海时代的产物,近代科学的诸多发明发现映现其中。

在高能星空下显现的费米卫星、浩克与TARDIS等星座。

作为类比,这次新增的21个高能星座也有不少以神话或仪器命名。不过,这一次的神话是以科幻为主的现代神话,比如来自小行星又遍历诸曜的小王子、像天文学家通过观测遥远星光追溯宇宙历史一般进行时空旅行的神秘博士时光机TARDIS、以发射伽马射线的正反物质湮灭过程驱动的《星际迷航》主角企业号星舰、被伽马炸弹辐射照射后变身的绿巨人浩克,挥舞着高能白热光武器的巨兽哥斯拉……总之,或多或少都与天文学或高能辐射扯上一些关系。唯一的古典神话形象是北欧雷神托尔(Thor)挥舞的雷电之锤米约尼尔(Mjolnir)——之所以用到了这个名字,是因为费米在聚焦高能深空之余,还兼有考察闪电引发的地球伽马闪(terrestrial gamma-ray flash)的职责。

高能星空下的企业号星舰、哥斯拉、小王子、薛定谔的猫、城堡等星座。

在科学仪器方面,相比光学星座中的望远镜座、显微镜座、六分仪座之类原始形象中的浓浓古风,费米星座中的科学仪器部分取材就更加现代了。首先这颗卫星本身当仁不让地成为一大亮点。这个位于天琴座与天秤座之间的高能星座由5个疑似耀变体、2颗伽马射线脉冲星与1个不明源组成,乍看上去真与两翼电池板伸展的费米卫星有些相似。而鉴于在电磁波谱能量最高与最低的两端,辐射源的身份与辐射机制大体相通,高能天空还为射电望远镜保留了一席之地,以凸显高低能多波段联测对于天体物理学的意义。又考虑费米的另一台主要科学观测设备——伽马暴监视仪(GBM)建成于美国阿拉巴马州,这里曾经设计了阿波罗计划用到的土星5号,这种空前强大的运载火箭也由此得到了属于自己的伽马射线星座。

位于银纬南天的的黑寡妇蜘蛛、爱因斯坦、射电望远镜、金门大桥等高能星座。

与动物有关的费米星座只有两个,其一是黑寡妇蜘蛛。选择这个名字并非由于费米团队的成员对这种有毒爬虫情有独钟,而是这个名字代表了一类重要的伽马射线天体——黑寡妇脉冲星,费米望远镜对这方面的研究也是贡献良多。黑寡妇蜘蛛最重要的习性之一就是交配过后雌蛛经常以伴侣为食;在黑寡妇脉冲星系统中,高能脉冲星风中伽马光子也在一步步地将密近的低质量伴星瓦解,故名。另一个与动物有关的新星座就是薛定谔之猫,代表了量子力学关键的测不准概念,据此衍生的一系列理论是现代物理学的基石之一。

黑寡妇脉冲星系统PSR J1311-3430的艺术图,该系统有着同类天体中最为紧凑的轨道(周期93分钟),也拥有已知质量最大的脉冲星之一(相当于太阳的2倍最有)。来自脉冲星的辐射束周期性地扫过质量只及木星十余倍的伴星,并逐渐让其蒸发殆尽。

在标准的88个星座中,只有1个是以真实人物命名的,这就是印第安座;费米星座也是如此,这个荣誉归于阿尔伯特·爱因斯坦。除了其所提出的相对论为包括高能天体理论在内的现代物理学各分支带来的深远影响之外,费米小组选择这个人物还有另一重内涵:如果没有爱因斯坦著名的质能方程E=mc2,费米的大面积望远镜(LAT)就根本不可能变为现实——当能量足够高的伽马光子射向组成LAT的层层钨板时,光子携带的能量转化为质量,变作一对正负电子。随后电子对从夹在钨板之间的硅片跟踪器中穿过,并最终被LAT底部的量能器吸收,其运动轨迹就反映了光子入射的方向;光子能量则必须根据量能器测得的电子对能量结合质能方程来反推。

费米大面积望远镜(LAT)的结构示意图。整套设备的核心是16组交替叠放的钨板(光子-电子对转换器)与硅片(电子对跟踪器),底部设有用于吸收正负电子对并测量其能量的量能器,外围还包裹着用于排除带电宇宙线粒子干扰的“反符合”屏蔽装置。质能转换方程是让这台仪器得以发挥作用的理论根基。    

与现代光学星座命名不同的是,这次费米小组选择了不少标志性地名作为高能星座的名称。这里的绝大部分都是为了致敬费米计划6大参与国的贡献,如代表LAT研发主力军——美国斯坦福大学的旧金山金门大桥,以及美国海军实验室与美国宇航局戈达德航天中心的华盛顿纪念碑;还有分别代表法国、德国、意大利、日本和瑞典合作者的埃菲尔铁塔、新天鹅堡(城堡)、罗马斗兽场富士山以及瓦萨号战舰。不过亚历山大灯塔的引入是为了凸显超新星爆发后的残留物——脉冲星在高能宇宙中的地位:固然大部分脉冲星都是射电脉冲星,但还是有少量星体也会发出高能辐射。费米升空后,已知伽马射线脉冲星的数量从先前的个位数激增到了百余颗,其中更有第一颗河外伽马射线脉冲星PSR J0537-6919、可以在射电和高能之间切换的“变身”脉冲星PSRJ1023+0038、最早一批只能发出伽马光的脉冲星等诸多新花样。这些宇宙灯塔一般的小小星球不仅陆续带来着有关辐射机制以及致密星演化的新知,还构成了费米记录下的为数最多的一类身份得以完全敲定的辐射源,这次为其单独命名一个关联星座也算顺理成章。

最后一个费米的高能“星座”其实很难称之为星座。它是银河系中真实存在的结构,也是费米望远镜最出乎意料的发现之一——费米泡。前面介绍的20个星座大抵由伽马点源连接而成,只是与传统意义上的星座观测波段有别;这个费米泡则是一个从银盘上下对称延伸数万光年的弥漫延展源,其辐射的典型能量较银盘更高,大小几乎占据了可观测天空的一半。虽然这对泡状结构的成因仍无定论,不过一般认为它应该与银河系中心特大质量黑洞可能的过往活动有关。

费米泡(以粉红色表示)在天空中的位置,图中以蓝色表示银盘,还标出了其他若干高能星座的所在。  图/张博(修改)

当然,至少在当下,这些新的高能星座还只是非正式的定义,而且只给出了星座的形象,并未规划出每个星座覆盖的天区。但谁知道今后的情况呢?毕竟现代可见光星座体系的确立是基于方便观测者认星的考量,而费米提出新定义的初衷也是帮助更多的人了解伽马射线宇宙。或许在未来,研究者乃至公众就会彼此交流“爱因斯坦座又有一起伽马暴发生”“富士山座某一耀变体耀发”又或者是“黑寡妇蜘蛛座发现了一个新的黑寡妇脉冲星系统”吧!

 

制定高能星座的费米卫星

我们平常所知构成星座的繁星,其真实身份多半是银河系中与太阳类似的恒星,它们在自身中心核聚变反应的驱动下发出光和热,照亮宇宙,也带给了观星者以无限的遐想。但到了波长更长、频率更低的红外以至射电波段,星光逐渐隐去,尘埃抑或星际分子、中性氢和各种非热连续辐射开始充斥全天;而在短波一端,由繁星组成的熟悉图样照旧要销声匿迹,取而代之的是自然界最狂野的景观,在光子能量最高的伽马射线能段尤其如此。伽马射线的天空由质量数百万至数十亿倍于太阳的特大黑洞驱动的活动星系核、大质量恒星濒死爆发过后留下的致密残骸和弥漫遗迹,连同河内星光同带电宇宙线粒子相互作用产生的弥散光主导,其间又点缀着各式激变事件扬起的瞬变闪光,它们一道讲述着宇宙极端的一面。

部分费米星座与IAU定义的现代星座位置的对比,图中灰绿色连线与文字表示费米星座,蓝紫色表示标准现代星座。 图/张博(修改)

不过若想见识伽马射线的天空,却着实要费上一番周折。地球大气能够吸收这些对生物有害的高能光子,所以直到太空时代启幕之后,天文观测才得以在这一能段发展起来。事实上,最早的天文卫星之一——1961年发射的探险者11号就是伽马射线天文学的先驱;而1991年入轨、2000年退役的康普顿伽马射线空间天文台更是将200余个GeV(1 GeV相当于109电子伏特)级深空伽马源编目在案,其中又不乏本质不甚明确的新源,由此掀起了高能天体物理学研究的新高潮。

在康普顿退役8年后的2008年6月,本名伽马射线大面积空间望远镜(GLAST)的费米(Fermi)伽马射线空间望远镜承袭着求索极端宇宙的使命,从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角升空,开始了持续至今、为时已达10年有余的发现之旅。作为高能天文卫星的集大成者,费米搭载的仪器的灵敏度、观测能段、覆盖视场、分辨率、响应时间等各项性能指标全面超越前辈与同侪,这在一开始就注定了它作为伽马射线天文学革新者的地位。

沐浴在天体高能辉光之下的费米伽马射线空间望远镜(艺术图)。

10年过后的今天,费米望远镜用超过3000个持续存在的伽马源、贯穿整个银河系的大尺度新结构以及数以千计的伽马射线暴事件,刷新了人们对极端宇宙的认知,同时又带来了更多新的谜题。更不要提的是它还参与了第一次电磁波与引力波的协同探测以及第一次电磁波与中微子的协同探测,在创造历史的同时,也一道见证了多信使天文观测时代的到来。

宇宙中的新结构、高能爆发事件及其多信使联测让公众津津乐道固矣,但真正让费米稳稳坐定伽马射线天文学界头把交椅的,还是那些数量众多却不是那么知名的持续源,涵盖了以黑洞喷流正对地球的耀变体为主的各式活动星系核、恒星形成活动火热进行中的星暴星系、普通星系、高能脉冲星、超新星遗迹、星团、双星等等,不过依然涌现了不少不明新源。

要说这3000多个的伽马源总数是什么概念?首先,这个数字是康普顿时代的10倍还多。而且费米与前辈的差异不仅仅在数量上:在它的主力观测仪器——大面积望远镜(LAT)的可观测能段下限与康普顿搭载的高能伽马射线实验望远镜(EGRET)相当的前提下,LAT的能量上限达到了EGRET的10倍甚至更高,灵敏度更是有了超过一个数量级的提升。这等同于费米有能力记录下更多覆盖能段更宽的光子,更好地展露出极端天体更加详尽的面貌。举一个形象的例子,单论费米这些年来从全天最明亮的持续伽马点源之一——船帆脉冲星接收到的高能光子,其总数就已经超过了EGRET在9年间记录下的所有辐射源光子之和,这对于研究者的意义不言自明。

康普顿时代的伽马射线天空(左半)与费米时代的伽马射线天空(右半)的对比图。可见右半部分的伽马源无论从数量还是从分辨率来看,都比左半部分有了质的飞跃。图中贯穿中心的黄色亮带表示银盘所在,银盘右侧的亮斑就是船帆脉冲星。

同时,伽马源的数量达到了数千个,在数量级上与肉眼可见的恒星总数(约6000颗)相当,这就意味着费米眼中的伽马射线天空有着与可见光类似的群“星”闪耀。只是这些高能光点不再是普通恒星,而主要是河外星系中央活跃的特大质量黑洞和河内的致密星骸。这样一来,我们也就第一次有机会借助星座这一古老的手段,来界定高能天空的分野。

在勾勒完高能星座之后,费米空间望远镜的发现之旅还在继续。卫星本体在遭遇了2013年的太空垃圾碰撞险情与今年早些时候的太阳能电池板故障之后风头不减,任务期也是一再扩展,由此积累的长期观测数据堪称高能天文学的无价之宝。而在3000个伽马源中,上千尚不能合理解释的高能点源(这其中还包括了在康普顿时代确定的100余个)的真实面目仍旧有待深究。更何况这些已编目源也不过是利用这颗卫星发射后前4年的观测结果整理而来,针对其他数据的分析工作也在有条不紊地进行着。目前费米团队正准备发布新一批伽马源的信息,让已知源的总数增加到5000左右。在不久的将来,伽马射线的星空想必会更加灿烂。

推荐阅读:费米高能星座主页https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/constellations

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