恆星爆炸產生伽馬射線,高亮的光束中包含著致命核反應

2020-12-04 Space科學

伽瑪射線爆發是宇宙中影響最強大的事件之一,當恆星在死亡後產生爆炸就會產生伽馬射線爆發,當這些宇宙中的恆星產生劇烈的爆炸時,它們就像立在宇宙的燈塔一樣,釋放出宇宙中一些最明亮的光束,以及大量的中微子,這些稀疏的,像幽靈般的粒子滑過整個宇宙卻幾乎未被發現。

這些伽馬射線暴的高亮區域,不僅僅只存在光,它也存在著劇烈且致命的核反應。很顯然這種伽馬射線暴距離我們很遠,但又有誰想被這種宇宙中高能量反應所輻射到呢!物理學家曾經認為,如果這種恆星爆炸所產生的高亮光束能夠到達地球且輻射到人類,那麼只有當人處於爆炸時所產生的光束區域中才會參與到核反應,這時的伽馬射線爆發才是危險的。不過,一項新的研究表明,能夠被核反應輻射到的高亮區域不止光束區域內,而是所有伽馬射線的內部及其周圍都會產生劇烈的核反應,產生著致命的射線。

核反應

伽瑪射線的源頭

幾十年來,天文學家已經確定了兩種天體伽馬射線爆發,即持續時間超過2秒甚至長達數分鐘的長脈衝和持續時間少於2秒的短伽馬射線暴。我們不確定到底是什麼導致了GRB(伽馬射線暴或快速射電暴)在太空中的擴散。一般情況下,當宇宙中的恆星在進行超新星爆發死亡後留下中子星或黑洞時,就會產生傳往外太空的GRB,像這樣的災難性事件在瞬間釋放出讓人想像不到的能量。

另一方面,短伽馬射線暴則認為是由完全不同的機制引起的,即兩個中子星的合併產生,雖然這樣的合併事件所產生的能量並沒有超新星爆發那麼強大,但是它們卻在其周圍產生高亮的射線且造成了嚴重的核破壞。

但是,當中子星碰撞時,每個中子星的重量是地球太陽質量的幾倍,該質量被壓縮成一個球形,其範圍不比地球一些典型城市寬,在兩個這樣的物體之間發生撞擊的時刻,它們以光速彼此繞行。

隨後,中子星合併成一個更大的中子星,或者在條件合適的情況下,形成一個黑洞,留下一連串的破壞和來自爆炸時所產生的碎片。該物質環坍塌到前中子星的死亡區域上,形成了所謂的吸積盤。在形成黑洞的情況下,吸積盤以每秒高達數個太陽的氣體速率吞噬恆星爆炸後殘骸堆中的所有物質(包括光)。

當所有的能量和物質都在漩渦周圍並傾瀉到系統中心時,複雜的電磁力跳動將物質捲起,並沿旋轉軸將物質射流向上遠離中心發射,中心物體進入周圍系統。如果這些射流突破了,它們就會像巨大的「探照燈」一樣。當射流恰好指向地球時,我們就會看得到一道伽瑪射線光束。

事實證明,射流以一種混亂而複雜的方式形成並遠離中子星合併的位置。氣體雲相互纏繞並纏結在一起,並且輻射和物質從中心黑洞流出的氣流並沒有排列整齊有序,結果成了完全破壞性的混亂。

雙星爆炸

在這項新研究中,天體物理學家在碰撞事件之後探索了這些系統的細節。研究人員密切關注著大量氣體雲團在逃逸的射流過程中的行為。有時,這些氣體雲會相互碰撞,形成衝擊波,這些衝擊波可以加速並為其自身的輻射和高能粒子集(稱為宇宙射線)提供動力。這些由質子和其他重原子核組成的射線獲得足夠的能量以加速至接近光速,因此它們可以暫時合併以產生奇特且稀有的粒子組合,例如介子。

介子然後迅速衰變成中微子,中微子是微小的微粒,充滿了宇宙,但幾乎不會與其他物質發生相互作用。而且由於這些中微子是在遠離伽馬射線暴本身的狹窄區域之外產生的,中微子本身表明,在遠離射流中心更遠的地方,發生了致命的致命核反應,但人類目前尚不知道危險區域的延伸範圍。

宇宙射線的藝術想像

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