自古以來,無數次我們仰望星空,都在追問一個問題:是否存在地外文明?如果有外星人,他們都在哪兒呢?
在有關費米悖論的文章中我們討論過外星人是否存在和存在概率的問題,感興趣的朋友可以參看《費米悖論:外星人到底在哪兒呢?他們究竟存在嗎?》。
其中提到智慧生命存在概率的德雷克公式,這個公式存在一個較大的缺陷,只是計算了文明出現的概率,而沒有考慮文明的滅亡。
而導致宇宙中文明滅絕的一個原因就是我們今天討論的主題:伽馬射線暴。
伽瑪射線暴(Gamma Ray Burst, 縮寫GRB),又稱伽瑪暴,是來自天空中某一方向的伽瑪射線強度在短時間內突然增強,隨後又迅速減弱的現象,持續時間在0.1-1000秒,輻射主要集中在0.1-100 MeV的能段。
伽瑪暴發現於1967年,美國Vela衛星在核爆炸監測過程中由克萊貝薩德爾(Klebesadel)等人無意中發現的。數十年來,人們對其本質了解得還不很清楚,但基本可以確定是發生在宇宙學尺度上的恆星級天體中的爆發過程。至2015年人們已經觀測到了2000多個伽馬暴。
伽馬射線暴是宇宙中發生的最劇烈的爆炸,理論上是巨大恆星在燃料耗盡時塌縮爆炸或者兩顆鄰近的緻密星體(黑洞或中子星)合併而產生的。
伽馬射線暴短至千分之一秒,長則數小時,會在短時間內釋放出巨大能量。如果與太陽相比,它在幾分鐘內釋放的能量相當於萬億年太陽光的總和,其發射的單個光子能量通常是典型太陽光的幾十萬倍。
物理學家通過計算發現強大的伽瑪射線暴能夠殺死一定範圍的宇宙生命,更致命的是伽瑪射線暴還有定期發生的規律,這對宇宙生命而言是個不利的消息,因為這一情況可以阻止宇宙生命進化成高級物種。
最新的評估認為,伽瑪射線暴可能清除了大約90%的星系空間,銀河系內也受到伽瑪射線暴的衝擊,地球生命在未來可能也將面臨類似的命運。
伽瑪射線暴來自恆星進入生命末年時的爆發,強大的輻射可破壞DNA,並導致行星失去大氣層。
伽瑪射線暴在過去5億年左右襲擊過地球,導致大量的生命滅絕,這個解釋或許能夠說明為什麼我們至今仍然沒有找到其他宇宙生命。
科學家根據巡天觀測的結果也發現伽瑪射線暴可能讓許多星系毫無生機。
地球在過去的歲月中也受到伽瑪射線暴的「洗禮」,但地球生命卻頑強生存下來,這一情況也會宇宙中其他天體上出現,這意味著其他天體上的生命可能具有更頑強的生命力。
銀河系中央附近的伽瑪射線暴要更強大一些,位於銀河系邊緣地帶出現伽瑪射線暴的概率會低於50%。從距離上看,距離銀河系中央大約3.2萬光年之外宇宙生命生存下來的概率會更大一些。
天文學家捕獲到宇宙中最強大的爆炸其前所未有的細節,這次強烈的爆炸過程是由大質量恆星的死亡產生的。
這項突破提供了伽瑪射線爆目前為止最清晰的圖像。伽瑪射線爆現象自20世紀60年代後期第一次被發現以來,就一直吸引著大量的天文學家對其進行研究。
機器人望遠鏡在2016年6月發現了此次爆炸過程。科學家們在超新星爆發之前,得到了一個以簡短的閃光形式發出的「預警」,這真是要歸功於難以想像的運氣!
這次巨大爆炸每秒鐘爆發的能量,相當於太陽整個生命過程中產生的能量總和。
英國巴斯大學Carole Mundell教授參與了這項研究,他說:「這次的爆炸如此明亮,即使是用一個雙筒望遠鏡在地球上也是可以看得到。這種大規模的劇烈爆炸通常會立即發生,但這次我們得到了持續一秒鐘時長的閃光作為提示。 然後出現了大約100秒的延遲,這給了我們足夠的時間來放置好望遠鏡。」
做出該記錄的研究團隊說:儘管爆炸發生地距離地球約百億光年,但是此次爆發的能量使其如此明亮,以至於在地球上哪怕是用一個雙筒望遠鏡也是可以觀察到的。短暫的伽瑪射線爆是強烈閃爍的高能量光,通常由在地球大氣層以上運行的太空望遠鏡探測。
當一顆巨大的恆星死亡時,就會發生伽馬射線爆發,然後坍塌成一個全新的黑洞,並形成超新星爆發。
這個過程會以光速向宇宙中噴射出氣體。但是科學家一直很難用標準的爆炸理論來解釋。
科學家認為磁場在其中起到了關鍵的作用,但是難以證明。因為伽瑪射線爆發生地距離地球通常有數百萬光年,發生時間一般只有幾秒或幾分鐘,並且從來不再重複。
使用新的,自主的機器人望遠鏡,團隊能夠探測磁場及其極化性。
該組數據表明,在新的黑洞附近形成了強磁場,並以緊密聚焦的光束向外「驅趕」能量和物質。
該研究還提出同步加速輻射,即相對論性電子(速度接近光速 c的高能電子)在外磁場中沿圓軌道或螺旋軌道運動時所產生的一種輻射,就是初始階段提供「提示的」的亮光。
到目前為止,對於伽瑪射線爆還有其它幾個解釋,但是這些觀察結果更清晰地描述了在什麼物理條件下會產生伽瑪射線爆。
NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡首先檢測到GRB160625B進行的伽馬射線爆發。加納利群島的地基Master-IAC望遠鏡隨後進行了光學觀測,此時正處於前文提到的「提示」階段的活躍狀態。
伽馬暴發生在宇宙6億3千萬歲的時候,直接證實嬰兒宇宙中活躍著爆發的恆星和新誕生的黑洞。
一旦大質量恆星的核燃料用盡,塌縮成一個黑洞或者中子星,通過恆星在生命終點排出的氣體外殼噴發出氣體噴流,典型的伽馬射線暴就發生了。這些噴流加熱氣體,產生在其它波段觀測到的短暫餘輝。
伽瑪暴有兩類,短暴(小於2秒)與長暴(大於2秒)。
長暴被普遍認為是「超新星的類似物」,標誌著50至100倍於太陽的恆星的毀滅性爆發。當這樣一顆龐大的恆星爆炸時,它會留下一個黑洞,並將這一信息以伽瑪射線的形式掃過宇宙。內在的物理機制首先由加州大學的物理學家Stan Woosley博士提出並發展成形,而他的「坍縮星」模型被認為是解釋長暴的主流理論。
短暴更為讓人迷惑。它們的起落時間非常短,不會是超新星,而爆發的能量並不足以構成恆星的爆發。許多研究者認為,它們是由超緻密的中子星(可能也是中子星與黑洞)碰撞產生的。兩種情況都會產生另一個黑洞。
伽馬射線暴的能源機制至今依然遠未解決,這也是伽馬射線暴研究的核心問題。隨著技術的進步,人類對宇宙的認識也將更加深入,很多現在看來還是個謎的問題也許未來就會被解決,探索宇宙的奧秘不但是人類追求科學進步的必要,這些謎團的解開也終將會使人類自身受益。
大規模滅絕總是與「厄運」和「陰暗」相聯繫,它總能牽動我們的思緒,拓展我們的想像空間。畢竟,「恐龍的滅絕或許由小行星撞擊引起」這樣的猜測,聽起來是那麼地具有傳奇色彩。