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從恒星耀斑到伽馬射線暴——看宇宙間那一場(chǎng)場(chǎng)盛大的“煙花表演”
夜空看起來非常寧靜,但用一臺(tái)可在幾天內(nèi)掃描整個(gè)天空的望遠(yuǎn)鏡凝視太空,我們就會(huì)見證一場(chǎng)場(chǎng)盛大的“煙花表演”:從恒星耀斑到伽馬射線暴(GRB),從快速射電暴(FRB)到千新星,這些宇宙間盛大的“煙火”向我們展示宇宙極致絢麗的同時(shí),也在向我們講述著宇宙的奧秘。
恒星耀斑:活躍恒星的劇烈電磁噴發(fā)
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員張承民向科技日?qǐng)?bào)記者介紹說:“恒星耀斑是恒星大氣中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一,指恒星表面局部區(qū)域突然釋放出極高能量的過程。在此過程中,恒星會(huì)在多個(gè)波段釋放出強(qiáng)烈的電磁輻射,同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)劇烈的高能粒子輻射。當(dāng)太陽發(fā)生耀斑時(shí),我們會(huì)看到其突然變亮,然后迅速恢復(fù)平靜。類似的事情也發(fā)生在各種質(zhì)量大小不一、溫度和光度不同的恒星中。”
張承民解釋道,科學(xué)家已經(jīng)知道太陽耀斑出現(xiàn)的原因:構(gòu)成太陽的旋轉(zhuǎn)氣體攜帶磁場(chǎng),由于太陽外層的對(duì)流和太陽自轉(zhuǎn),使得這些氣體不停地運(yùn)動(dòng),磁力線不斷被拉伸和糾纏。當(dāng)這些磁力線彼此接觸并合并時(shí),會(huì)釋放出大量能量,它加熱太陽周圍的大氣層并使粒子加速運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致突然爆發(fā)。
有時(shí),多余能量會(huì)將太陽的一些物質(zhì)拋射出來,形成日冕物質(zhì)拋射。在極端情況下,這些高能輻射物質(zhì)會(huì)到達(dá)地球,與地磁場(chǎng)相互作用,還可能危及衛(wèi)星甚至地面電力基礎(chǔ)設(shè)施。因此,天文學(xué)家一直在密切監(jiān)測(cè)太陽的爆發(fā)活動(dòng)。
千新星:碰撞中子星產(chǎn)生的大爆炸
兩顆中子星碰撞(藝術(shù)圖),圖片來源:英國華威大學(xué)
千新星是碰撞中子星產(chǎn)生的大爆炸。當(dāng)兩顆中子星圍繞一個(gè)共同的質(zhì)心運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式釋放能量。最終,兩顆中子星相撞,科學(xué)家在電磁光譜的可見光、紅外和伽馬射線部分會(huì)看到強(qiáng)烈的閃光。
“千新星是近些年引入的天文學(xué)術(shù)語,因?yàn)槠浞逯盗炼雀哌_(dá)經(jīng)典新星的1000倍。”張承民介紹說。
科學(xué)家對(duì)千新星的了解大多來自雙中子星并合產(chǎn)生的引力波事件GW170817,其證實(shí)了一些關(guān)于千新星的假設(shè)。首先,它支持中子星并合產(chǎn)生短而強(qiáng)烈伽馬射線爆發(fā)的觀點(diǎn);其次,它證明了這些并合會(huì)孕育出一些重元素:中子被吸收到原子核中,產(chǎn)生鉑和金等重金屬。
不過,這其中諸多細(xì)節(jié)仍然未知,中子星的“狀態(tài)方程”仍然是天體物理學(xué)領(lǐng)域最大的“懸案”之一。
FRB:來自遙遠(yuǎn)他鄉(xiāng)的神秘脈沖
FRB18112旅行軌跡(藝術(shù)圖),圖片來源:歐洲南方天文臺(tái)
2007年,天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了FRB,這是來自遙遠(yuǎn)星系的強(qiáng)大的無線電脈沖,持續(xù)時(shí)間為幾毫秒。起初,他們很不解:什么事件能在幾分之一秒內(nèi)釋放出與太陽輻射10萬年一樣多的能量?
2012年,又一個(gè)重復(fù)的FRB闖入天文學(xué)家的視野。截至2023年7月,人們總共觀測(cè)到了675次FRB。
張承民指出:“FRB如此短暫、強(qiáng)烈和明亮,科學(xué)家認(rèn)為,其源頭的物質(zhì)分布必須非常致密。而且,鑒于FRB呈極化狀態(tài),因此源頭必須具有非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,科學(xué)家普遍認(rèn)為FRB是由被稱為磁星的強(qiáng)磁化年輕中子星爆發(fā)而來?!?/p>
天文學(xué)家也一直在研究如何利用這些FRB,因?yàn)槊總€(gè)FRB脈沖都以無線電頻率到達(dá)地球,根據(jù)高頻和低頻信號(hào)之間的時(shí)間延遲,科學(xué)家可推斷出它們所到之處的一些特性。
GRB:宇宙中最明亮的閃光
張承民解釋說,伽馬射線是能量最高的光,GRB是人們見過的最亮、能量最高的瞬態(tài)光子爆發(fā)事件。它們可以持續(xù)幾毫秒到幾分鐘。鑒于它們也經(jīng)常在X射線、光學(xué)和無線電發(fā)射中“露出馬腳”,科學(xué)家因此能研究它們的來源。
目前,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩種不同的GRB。張承民說:“長(zhǎng)GRB持續(xù)時(shí)間為2—60秒,被認(rèn)為由核心坍塌的超亮超新星產(chǎn)生。這種坍塌形成了一個(gè)黑洞,將恒星的殘余物攪成強(qiáng)大的噴流?!倍蘂RB持續(xù)時(shí)間不到2秒,與中子星和黑洞等致密物體的并合有關(guān)。
GRB不斷給人類帶來驚喜。2022年10月9日,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今最劇烈爆發(fā)的長(zhǎng)GRB,并將其命名為BOAT,它可能是人類文明開始以來,宇宙向地球發(fā)射的最亮信號(hào)。
張承民說:“星辰日月高天際,雪散煙花遍海隅。這些絢麗的‘煙花’也是遙遠(yuǎn)宇宙派來的‘使者’,對(duì)其開展深入研究將有助我們進(jìn)一步揭示宇宙的秘密?!?/p>
編輯:馬嘉悅