本文不是纯正的科学,其中幻想与科学混杂,请勿用于科学参考。对科学不感兴趣的诸位可以跳过第一部分的科学基础,直接进入脑洞阶段。

伽玛暴的科学

伽玛暴,即 gamma-ray burst, 是现代天体物理中一个尚未解决的难题。在极短的时间天空中某点的伽玛射线(gamma ray)强度突然剧增,然后又骤减,释放巨大的能量。目前观测到的伽玛暴有几个特点,除了光子能量高、释放能量大、持续时间短等特点,它们在天空中的分布的各项同性(各个方向均匀分布)的特色也是非常令人类痴迷的。

BATSE 的 GRB 结果。可见这些爆发在宇宙中是各向同性的。图片来源 File:BATSE 2704.jpg on Wikipedia 。

现在的理论暗示了某些类型的 GRB(gamma-ray burst,下文同) 可能跟恒星的核心塌缩过程有关1。实际上我们甚至观测到了 GRB 与核心塌缩超新星爆发的关联:GRB 980425,红移为 $z = 0.0085$,同样的方向发现的超新星爆发是 1998 bw,为 Type Ic 型。

在天体物理理论中,是考虑 GRB 可能是带有方向性的,因为它的能量太大了,倘若 GRB 释放能量的时候是各个方向等同的,那么它所释放的总能量远超过了整个超新星所能释放的总能量,这是极难理解的,我们无法找到这样一个物理过程。所以理论上的一个解释是,GRB 是由高速运动的物质的相对论束流效应(relativistic beaming effect)产生的,这种 beaming effect 可以使得能量的释放集中在物质前进的方向,而且会产生蓝移使得辐射光子的能量变高。这样正好符合 GRB 的要求:集中在某个方向释放能量,不用担心整体的能量太高(太高的话甚至超过超新星的话我们就要担心能量来源了),而且是在高能光子波段。

伽玛暴作为星际战争中的武器

由于能量之巨大,我们(的脑洞)可以将 GRB(伽玛暴)跟宇宙战争联系起来。如此巨大的能量释放,用来杀害确实是效率之高,但是为了防止射线伤害到自己,需要让射线有一定的方向性。

设想这样一个场景,帝国 A 与帝国 B 发生了星际战争,帝国 A 为了消灭帝国 B 在一个星系中的据点,便朝向那个方向发射 GRB,高能射线杀死对方绝大多数有生力量。不巧这个 GRB 的方向对准了地球,就被我们看到了。

然而我们所观测到的 GRB 是各向同性的,也就是说在天空中各个方向的 GRB 的数密度大致相同,倘若这是战争,那么就说明战争在我们周围均匀的发生着,起初看来这是非常难以理解的,除非我们宇宙之中文明非常多,而且战争是文明历史上正常的事件。倘若战争这种事情发生非常频繁的话,在整个宇宙尺度上,从地球看来各项同性也就不是那么难以理解了。

极端古老的智慧生命

在 The Highest Redshift Gamma-ray Bursts2 一文中,可以发现有些 GRB 可以发生在非常古老的宇宙中,GRB 最古老的可以接近红移 103

那个时候产生智慧生命还要爆发战争是很难解释的。不过 Harvard Center for Astrophysics 的教授 Abraham Loeb 曾经写过一篇名为 The Habitable Epoch of the Early Universe 文的文章4,试图证明在宇宙早期(红移 136 到 99,即宇宙诞生之后的 1.0 到 1.7 亿年)具备化学生命产生的条件。5

除了假定这些早期的生命,我们还需要假定他们的大规模破坏性的武器跟当前具有类似的行为,即产生大量的高能光子,而且持续时间短暂。其中两种可能性是,古老的文明一直延续到今天,或者虽然灭亡了但是遗迹被后来的文明发现,复制出了这种武器。

或许,这种武器就单单是让恒星坍缩而已,本身是很容易想到的一种威力巨大的武器。随着文明的发展,一旦他们有了这样的能力,这种武器就会出现。

GRB 作为星际飞船推进器的残留

星际航行需要消耗的能量非常多,然而更加重要的是,快速的星际航行所需要的能量密度也非常大,这样剧烈的物理过程几乎全部都有光子辐射,如果能量密度很大,产生的会是高能光子,即 gamma ray。例如采用正反物质湮灭作为能源的话,要产生大量的伽马射线。

而为了飞船的安全,需要把这些有害射线导向远离飞船驾驶员的方向——不管是自然的结果还是人为设计的过程,而如果这个方向正好是地球的方向,那么我们就看到了一次伽玛暴。

如果要解释为外星飞船的话,Mia Molvray 在 1994 年写的这篇 Gamma Ray Bursters: Unexplained Lights in the Sky6 无疑提供了一些思路。

Mia Molvray 在文中提到了,倘若要往一些遥远的殖民地运送物资,可以使用高速飞行的无人飞船(这样的话也无人在乎狭义相对论的时间效应导致的人生变故,因为是无人的)。不管他们使用的是什么能源,不同的发动机有不同的特征,包括伽玛射线能量随着时间变化的曲线、能量谱等等,会有些许差异。如果找对了方法,我们或许能够将这些飞船从其他的 GRB 中区分出来。

使用科学的方法探测外星文明的太空飞船的想法很早就有了,早在上个世纪五六十年代就已经开始了,而到了七十年代相关论文的数量就开始增多了7。 实际上相对论速度的飞船飞行的时候,确实会由于与地球的相对论性速度而产生上面提到的 relativistic beaming effect,而很多不同类型的推进技术可能产生的光谱也频繁在论文中出现,具体相关观测数据的分析也有不少,例如 Michael Harris 的这篇 Limits from CGRO/EGRET Data on the Use of Antimatter as a Power Source by Extraterrestrial Civilizations8 中就分析了 Compton Gamma Ray Observatory 的数据,如果这些伽玛暴现象为正反物质湮灭的结果的话,那么几乎可以肯定是人工的现象而非自然现象。

关于 GRB 来自星际飞船的疑问

然而如果这些 GRB 中真的有些是外星飞船产生的,那么有几个问题需要解释。

  1. 如果是飞船,很可能有船坞,也就是说飞船可能会从相同的地方发射。这与我们会看到同一地点出现多次 GRB,这是没有被观测到的。[citation needed] 或许解释是,由于 GRB 的方向性,恰巧对准地球只是一个巧合,由于船坞在轨道上,会转动、移动,大多时候不会朝向地球。
  2. GRB 是漫天都是的,而且均匀分布。原因可能是由于 GRB 的方向性(相对论速度飞行的飞船的 relativistic beaming effect 所导致的),而飞船运动方向可能在变化,从而导致仅仅在某些特殊情况,这些 GRB 可以被我们看到,并且持续很短的时间。另外,飞船产生的只是我们所观测到的 GRB 其中非常非常少的一部分,另一些可能是自然的,可能是战争的,可能是其他的。
  3. 为什么是一个爆发,而不是持续的?这个疑问的解释可能由 2 中的飞船的飞行姿态一直在变化来解释。另外可能的解释是,或许飞船并不是完全由这种引擎推动的,或许这种引擎只是用来引发某种效应。例如可能飞船需要点燃引擎几秒钟,然后可以进入超空间了。所以我们只能观测到非常短暂的 GRB。
  4. 为什么他们不来找我们地球?这就归结到费米悖论了。不过或许,像《基地》里面的银河帝国一样,这些文明来自地球,但是由于种种原因,他们已经忘却了地球,不想回到地球,被某些谣言所恐吓,想要保存地球这种新生的文明等等。

注释

  1. 恒星的核心塌缩(core collapse)过程,即恒星核心塌缩的过程。稳定的恒星是引力与向外的压强平衡的结果,倘若恒星引力越来越大,从而用来平衡引力的压强不再足以支撑整个恒星,恒星就会塌缩,直到产生新压强形成新的平衡,或者形成黑洞。超新星根据有没有氢谱线分类两大类,其中第一类中 b 型和 c 型(Ib 型和 Ic 型)被认为是核塌缩形成的。 

  2. The highest redshift gamma-ray bursts - Tanvir, N.R. arXiv:1307.6156 [astro-ph.CO] 

  3. 红移物体的光谱往红端移动,在宇宙学中红移是表示推行速度的一个量,根据宇宙学模型可以根据红移计算目标距离我们的距离,也可以计算目标距离宇宙诞生之初的时间。第一批恒星形成与红移 20,而第一批星系形成于红移 6.58。 

  4. arXiv:1312.0613 [astro-ph.CO] 

  5. 这是一篇很有趣的论文,因为除了证明这些,论文中还提到了宇宙早期的生命可能通过 panspermia 转移到了其他的新的形式中。 

  6. http://www.molvray.com/sf/grb/grblog2.htm 

  7. http://www.i4is.org/the-interstellar-index-archive 

  8. J. British Interplanetary Soc. Vol. 55, p. 383 (2002). arXiv 链接:http://arxiv.org/abs/astro-ph/0112490v3