物理學家推測：黑洞形成時噴出的巨大伽馬射線可能會“逆轉時間”

你是否曾經想過，當一顆恒星死亡時，它會發生什麼？你可能會想到，它會變成一個白矮星、一個中子星或者一個黑洞。但你可能不知道，有些恒星在死亡的瞬間，會發出一種強烈的電磁輻射，這就是伽馬射線暴。伽馬射線暴是宇宙中最強大、最神秘、最令人驚訝的現象之一。它們可以在幾秒鐘內釋放出比太陽在整個壽命中釋放的能量還要多的能量。它們可以在數十億光年外被探測到，甚至可以改變地球的氣候和生物。它們也可以揭示黑洞的奧秘，甚至是時間的本質。今天將帶你走進伽馬射線暴的奇妙世界，讓你了解它們是如何產生的，它們有什麼特征，它們對我們有什麼影響，以及我們如何探索它們。

伽馬射線暴的發現可以追溯到上個世紀六十年代，當時美國為了監測蘇聯的核試驗，發射了一系列的人造衛星，這些衛星裝有能探測伽馬射線的儀器。伽馬射線是電磁波譜中能量最高的一種，通常只有在核反應中才會產生。科學家們希望通過這些衛星，能夠及時發現蘇聯的核爆炸。然而，他們卻意外地發現了一些來自太空的伽馬射線信號，這些信號持續的時間很短，從幾毫秒到幾分鐘不等，而且方向隨機，沒有規律可循。科學家們很快排除了這些信號是人造的可能性，因為它們的能量太高，超出了任何人類能造成的範圍。那麼，這些信號到底是什麼呢？它們是怎麼產生的呢？這些問題困擾了科學家們幾十年，直到1997年，一顆名為貝普爾斯的衛星，首次捕捉到了一次伽馬射線暴的全過程，包括它的前身、主體和餘輝。這次觀測揭開了伽馬射線暴的面紗，讓科學家們發現了它們的真正來源：垂死的恒星。

當一顆大質量恒星坍縮成黑洞時，它會以超亮伽馬射線暴的形式發出明亮的SOS信號。現在，科學家們發現了這些神秘信號的一些非常奇特的東西：它們似乎逆轉了時間。嗯，有點不可思議。發表在《天體物理學雜志》上的一項新研究發現，這些伽馬射線暴是時間反轉的，這意味著明亮的光波以一種方式吐出，然後以相反的順序再次發出。研究人員表示，他們不知道是什麼導致了這些時間反轉的伽馬射線信號，但他們補充說，黑洞周圍的物理學是如此奇怪，以至於不能排除任何可能性。

據美國宇航局稱，伽馬射線暴是有史以來探測到的最高能量爆炸之一，其亮度超過地球太陽輸出的一百萬萬億倍。"伽馬射線暴是自然界中已知的最明亮的光源。它們產生的能量輸出比其他任何發光的東西都多，“該研究的主要作者、天體物理學家、南卡羅來納州查爾斯頓學院研究生院副院長喬恩·哈基拉（Jon Hakkila）說。伽馬射線暴的產生機制有兩種，一種是兩顆中子星碰撞，形成一個黑洞，這種情況下會發出短伽馬射線暴，持續時間不超過兩秒；另一種是超新星或恒星爆炸，在垂死的恒星坍縮成黑洞時會產生更長的伽馬射線暴，持續時間從幾秒到幾分鐘不等。對於這兩種類型的伽馬射線暴，“它們的大部分能量都以脈沖的形式出現”，Hakkila說。這些脈沖就像一道道閃電，照亮了黑暗的宇宙。

當Hakkila從數據中取出最主要的、最亮的脈沖以更好地看到其餘的光信號時，他發現“這個閃光實際上有一些小的側面閃光，”他說。研究人員發現，每個脈沖都有三個不同的峰值，每個脈沖的光強度增加然後降低幾次。當科學家們查看數據時，他們碰巧發現這些峰值的結構看起來像鏡子中的反射 - 先出現的先前脈沖的部分在隨後的脈沖中最後出現。這就是時間反轉的信號，它們讓人感覺，時間在這裏倒流了。

為了真正看到這一點，想象一下，如果你打開了三個電燈開關：A，然後是B，然後是C，然後總是先關閉C，然後是B，然後是A，Hakkila說。為了真正看到這一點，研究人員將整個信號拉伸，然後像一張紙一樣從中間折疊起來。這種“折疊”過程使信號的上升與信號的下降保持一致。兩端排列得非常好。
“伽馬射線暴代表了黑洞的形成，在黑洞附近的空間和時間以及空間和時間之間的關系中都會發生各種非常奇怪的事情，”Hakkila說。雖然爆炸可能不會像科幻電影中那樣通過某種輻射機制“逆轉時間”，但“我不會排除任何奇怪的事情，”他說。
然而，一個更可能的解釋可能來自觀察沖擊波如何在物質中移動，Hakkila說。

當一顆恒星爆炸時，一個巨大的沖擊波可以穿過物質向外移動，並在它前進時照亮它。首先，它點亮團塊 A，然後點亮團塊 B，然後點亮團塊 C。Hakkila說，為了引起時間反轉的信號，波必須以某種方式以相反的順序穿過這些團塊。
“我只能想到兩種方法，”他補充道。要麼波必須撞擊某種反射表面，類似於鏡子，將沖擊波反射向後，要麼團塊必須以某種奇怪的方式分布，這在普通物理學中是沒有意義的。了解這一過程可以揭示恒星是如何死亡的，Hakkila補充道。
然而，並不是每個人都相信時間反轉是伽馬射線暴信號的最佳解釋。
“我感謝作者的巨大努力。

然而，這項研究所建立的腳手架可能存在缺陷，“內華達大學拉斯維加斯分校高能天體物理學教授Bing Zhang說，他沒有參與這項研究。
時間反轉結構的發現是基於這樣的假設，即每個伽馬射線暴都“由幾個明確定義的脈沖組成”，每個脈沖都有一個由數學方程描述的形狀。但他補充說，這些脈沖的形狀和性質可能比簡單的數學形式更複雜，因此三峰脈沖殘差可能不是物理上真實的。“也許是鏡子假說…畢竟是有效的，但現在，對這一假設的支持是相當間接的，“張告訴記者。
與往常一樣，我們越接近黑洞，畫面就越奇怪。

伽馬射線暴是宇宙中最令人著迷的現象之一，它們不僅可以讓我們了解恒星的死亡和黑洞的形成，還可以讓我們探索宇宙的演化和結構，甚至是時間的本質。伽馬射線暴的研究還有很多未解之謎，例如它們的精確機制、它們的分類和分布、它們的能量來源和轉換、它們的多波段特征和相互作用等。為了解答這些問題，我們需要更先進的觀測設備和技術，以及更深入的理論和模擬。目前，有一些新的項目和計劃正在進行或籌備中，它們將為伽馬射線暴的研究帶來新的機遇和挑戰。

其中一個項目是中國的硬X射線調制望遠鏡（HXMT），它是中國第一顆X射線天文衛星，於2017年6月發射升空。HXMT的主要任務是觀測高能X射線源，包括伽馬射線暴，它可以在幾秒鐘內對伽馬射線暴進行定位和分析，為後續的觀測提供重要的信息。HXMT還可以利用伽馬射線暴的光子，進行一種特殊的測量，叫做伽馬射線暴偏振測量。這種測量可以揭示伽馬射線暴的輻射機制和磁場結構，為理解伽馬射線暴的物理本質提供新的線索。

另一個項目是歐洲的伽馬射線暴監測器（GBM），它是歐洲空間局計劃於2024年發射的一顆專門用來探測伽馬射線暴的衛星。GBM的目標是提高伽馬射線暴的探測率和定位精度，以及提高伽馬射線暴的光譜和時間分辨率。GBM還將與其他的觀測設備協同工作，形成一個多波段的伽馬射線暴觀測網絡，從而能夠對伽馬射線暴進行全方位的研究。
除了這些項目，還有一些更大膽的計劃正在醞釀中，例如建造一個能夠直接觀測黑洞的望遠鏡，或者利用引力波和中微子等新的探測手段，來揭開伽馬射線暴的更多秘密。

伽馬射線暴的能量之大，讓人不禁擔心，它們是否會對地球造成威脅？答案是肯定的，但也不必過於恐慌。伽馬射線暴的發生頻率很低，而且大多數的伽馬射線都會被地球的大氣層吸收或散射，只有很少一部分能夠到達地面。即使如此，伽馬射線暴也可能對地球的生物和環境產生一些影響，例如破壞臭氧層、引發酸雨、導致全球變暖、誘發基因突變等。

美國宇航局的斯威夫特衛星，它是專門用來觀測伽馬射線暴的衛星，它可以在幾秒鐘內定位到伽馬射線暴的位置，並向地面的望遠鏡發送信號，讓它們能夠及時跟蹤和觀測伽馬射線暴的餘輝。