什麼是伽馬射線？可以破壞腫瘤DNA還能點亮一個星系

北京時間12月18日消息，據國外媒體報導，伽馬射線是電磁異塵餘生的一種，就像無線電波、紅外異塵餘生、紫外異塵餘生、X射線和微波一樣。伽馬射線可用於癌症治療，伽馬射線暴更是天文學家研究的一大重點。電磁異塵餘生可以通過波或粒子的形式傳播，有不同的波長和頻率。

這張天空全景圖由NASA費米伽馬太空望遠鏡兩年來收集的數據集合而成，展現了宇宙在伽馬射線下的模樣。

伽馬射線暴概念圖。

波長覆蓋的範圍名叫電磁光譜，一般被分為七個部分，隨著波長遞減，能量與頻率會隨之遞增。七個部分通常為無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線和伽馬射線。

伽馬射線在電磁光譜中的位置高於「軟X射線」，其頻率超過每秒1018赫茲，波長不到100皮米（1皮米相當於1米的1兆分之一）。

伽馬射線與硬X射線在電磁光譜中的位置相互重疊，因此很難區分這兩者。在天體物理學等領域中，科學家會強行劃一條區分線，將高於特定波長的射線列為X射線，低於特定波長的則為伽馬射線。伽馬射線和X射線都屬於高能異塵餘生，可破壞生物組織。不過，宇宙中幾乎所有的伽馬射線都會被地球大氣層阻擋在外。

伽馬射線的發現

伽馬射線最早於1900年由法國化學家保羅?維拉爾（Paul Villard）在研究鐳異塵餘生時發現。幾年後，化學家、物理學家歐內斯特?盧瑟福（Ernest Rutherford）按照核反應產生的阿爾法射線和貝塔射線，提出了「伽馬射線」這個名字，這一叫法便一直保留至今。

伽馬射線的來源與效果

伽馬射線主要由四種核反應產生：核聚變、核裂變、阿爾法衰變和伽馬衰變。

核聚變是太陽與其它恆星的能量來源。該反應分幾步進行，在極端高溫高壓下，四個質子、或氫原子核被強迫聚合為一個擁有兩個質子和兩個中子的氦原子核。該氦原子核的品質比原本四個質子的品質約少0.7%，而根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2，這部分品質差會轉化為能量，其中三分之二的能量以伽馬射線的形式釋放出來。（剩餘的能量則以中微子的形式進行釋放，這是一種相互作用極弱的粒子，品質幾乎為零）。在恆星生命末期、氫燃料耗盡之後，通過核聚變生成的元素會變得越來越重，一直到鐵元素。但各個階段生成的能量也會隨之遞減。

伽馬射線的另一來源是核裂變，人們對此應該並不陌生。勞倫斯?伯克利國家實驗室對核裂變的定義是：一個較重的原子核分裂為大致相等的兩半，這兩半再分別成為較輕元素的原子核。這一過程需涉及與其它粒子的撞擊。當鈾、釙等較重原子核受到其它粒子轟擊後，便會分裂成氙、鍶等較輕元素。而轟擊產生的新粒子又會撞上其它重原子核，形成鏈式反應。這一過程中也會釋放能量，因為裂變產生的粒子品質總和低於原始重原子核的品質。這部分品質也會轉化為能量，以較小原子核的動能、中微子和伽馬射線的形式存在。

阿爾法衰變和伽馬衰變也可產生伽馬射線。當重原子核釋放出氦-4原子核，原子數減少2、原子重量減少4時，便會發生阿爾法衰變。這一過程會導致原子核能量過剩，而多餘的能量便會以伽馬射線的形式釋放出來。如果原子核中能量過多，便會發生伽馬衰變，發射出伽馬射線，同時不會改變原子核的電荷或品質成分。

伽馬射線療法

伽馬射線可破壞腫瘤細胞DNA，因此有時會用於治療惡性腫瘤。但在採用該療法時必須多加小心，因為伽馬射線也會破壞周圍健康組織細胞的DNA。

要想讓癌症細胞受到的異塵餘生最大化、同時讓健康細胞受到的異塵餘生最小化，一種方法是讓多束由不同方向的伽馬射線通過一台線性加速器、集中到一塊很小的區域上。這就是射波刀（CyberKnife）和伽馬刀療法的運作原理。

伽馬刀放射手術利用一台特殊設備，將近200道異塵餘生擊中到大腦腫瘤處或其它目標上。每束異塵餘生對穿過的腦組織影響很小，但交匯點處所受的異塵餘生劑量很大。

伽馬射線與天文學

伽馬射線暴是伽馬射線最有趣的來源之一。這是一種能量極高的天文事件，時長從幾毫秒到幾分鐘不等。科學家最早於上世紀60年代觀測到這一現象，如今觀察到它們的頻率約為每天一次。

NASA指出，伽馬射線暴是「最高能的一種光線形式」。其亮度可達一般超新星的數百倍，約為太陽的一百萬兆倍。

據密蘇裡州立大學天文學教授羅伯特?帕特森（Robert Patterson）介紹，科學家一度認為伽馬射線暴來自正在蒸發的迷你黑洞的末期階段。但如今科學家認為，伽馬射線暴應源自中子星等緻密天體的相撞。還有理論指出，超大品質恆星坍縮形成黑洞時，也會產生伽馬射線暴。

無論其來源如何，伽馬射線暴在幾秒內產生的能量都足以點亮一整個星系。但由於地球大氣可將大部分伽馬射線阻擋在外，只有高海拔觀測氣球和軌道望遠鏡才能觀察到它們的存在。