宇宙大爆炸的細節：高能光量子是如何產生的

2018年7月，在距納米比亞首都溫得和克西南約100公里處的HESS天文台，記錄了一次遙遠星系中一顆恆星發生爆炸後10小時的伽馬射線爆（Gamma Ray Burst, 縮寫GRB）的光子，該光子的電子伏特在1000億至4400億之間。

六個月後，即2019年1月，位於拉帕爾瑪島加那利島的雙台MAGIC望遠鏡發現了另一次爆炸，並捕獲了高達1萬億電子伏特的光子。GRB之前的記錄保持者是一個具有940億電子伏特的單光子，該光子是從2013年的一次伽馬射線暴中探測到的。

恆星爆炸揭示了宇宙起源的秘密

來自遙遠星系中恆星發生的爆炸，向宇宙空間發射了兩次伽馬射線，其中一次撞擊了地球。科學家在其中首次發現了高能量的光子。長伽馬射線爆發造就了一場"高能粒子這雨"，這是宇宙中最強大的爆炸之一，同時，幸運的是，科學家發現了宇宙大爆炸中一個細節，那就是這種高能光子是如何產生的。

長時間的伽馬射線爆發說明在宇宙中其他星系有一顆巨大恆星已經"死亡"。隨著爆炸的發生，這顆恆星變成了中子星或者黑洞。另一方面，科學家發現，短暫的GRB往往伴隨著中子星的碰撞而產生，例如2017年由重力波探測器"拾取"的信息碎片（序列號：10/16/17）。到目前為止，從長距離輻射的GRB中檢測到的能量最強的光子，通常幾百萬電子伏特，比我們的眼睛"觀察"到的光子能量要高大約一百萬倍。

魔術望遠鏡的發現

西班牙加那利群島的雙子MAGIC望遠鏡記錄了有史以來從伽馬射線爆發，並在其中發現了最有活力的光子，這是美國國家航空航天局（NASA）的斯威夫特（Swift）和費米（Fermi）伽馬射線觀測站首次發現的，這兩個望遠鏡在合成插圖中漂浮在天空中。

有科學家認為，理論預測顯示，伽馬射線暴中應該存在"非常高能的光子"，但這種高能的光量子是怎麼產生的尚不確定" 。這些理論對GRB爆炸中的磁場，電子和環境光如何在碎片中相互作用以產生伽馬射線提供了不同的解釋。為檢驗這些想法，數年來科學家一直在尋找超高能伽馬射線。

這個最近的發現，成功地講述了GRB光子是如何獲得如此強大能量的故事。具體過程是這樣的爆炸產生的衝擊波將電子加速到接近光速，並產生磁場。電子在磁場線周圍鞭打，並發射出相對較低能量的光子。這些光子，以及從其他星系經過的其他光子，隨後通過跳飛並從這些快速電子中竊取能量而獲得功率提升。這是最後一步，稱為逆康普頓散射，它使某些GRB光子具有極高的能量。

有科學家表示，這個光子獲能的基本理論是20多年前提出的，但苦於一直沒有證據支持，本次觀測結果能夠發現高能光量子實在是一個值得慶祝的事情。

兩次GRB爆炸的相對距離有助於發現高能光量子。為什麼呢？比如2018年爆發的光花了大約60億年才能到達地球; 2019年的爆炸大約需要45億年。儘管這兩個爆炸都距離銀河系較遠，但它們與其他典型的GRB相比距離反而近得多。

GRB剖析

在一顆恆星爆炸之後，衝擊波猛烈撞擊周圍的氣體並加速了電子，這反過來又泵出了非常高能量的伽馬射線，這是最新的發現。爆炸還會發出電磁波譜中的波長的光。極端的光子揭示了GRB的一些有意思的"隱私"。為了使康普頓逆散射起作用，低能光子需要碰到電子的幾率很高。科學家認為，這說明在爆炸的周圍存在著緻密的傳遞介質，否則光量子是不會被加速獲得如此高的能量。

這麼說來，天文學家一直低估GRB可以包裝多少光子的體積。GRB會在整個電磁頻譜（從無線電波到伽馬射線）中發出光，並且2019年的爆發向它的極端伽馬射線光子中泵入的能量與其向其更多的X射線中注入的能量一樣多。這將GRB的總能量提高了大約三分之一，這已經可以與太陽整個生命周期內的全部能量輸出相提並論了。

結語

宇宙大爆炸是一個神秘的事件，如果人類能夠探究其隱藏的奧秘，將對我們認識宇宙和宇宙規則產生較大的推動作用。也許，大爆炸並不神秘，我們看到的世界僅僅是"九牛一毛"，更多的發現等著我們去探索。