最強伽馬射線暴襲來 地球命運如何?

2020-11-26 中關村在線

    前不久有消息稱,美國國家航空航天局(NASA)、阿拉巴馬大學漢茲維爾分校(UAH)等多加機構研究人員觀察到了迄今最大伽馬射線爆發。人們可能會對此緊張不安,擔心來自太空的大量伽馬射線會讓地球爆炸,或把地球烤焦,使地球上的生物走向毀滅。不過,最新研究分析表明,這種擔心是不必要的。

    這次是迄今最大伽馬射線爆發

    去年4月27日,遙遠星系中一顆瀕死恆星發出了一股明亮的光,成為全世界天文學家關注的焦點——這是一次伽馬射線爆發(gamma-ray burst,GRB),被稱為GRB 130427A,也是有記錄以來最大的一次爆發,耀斑亮度為有史第二。

    NASA的費米伽馬射線太空望遠鏡拍到了它發出的伽馬射線的最初的波,僅在爆發的前3秒,就出現了「巨大的爆發」。雨燕伽馬射線探測器也幾乎同時探測到了這一爆發,並迅速向地面觀察站傳達了它的位置。

    研究人員稱,他們探測到一個耀斑,峰值達到天文學亮度級別的7級,耀斑亮度為迄今伽馬射線爆發的第二,即使用雙筒望遠鏡也很容易看到。根據費米大區望遠鏡(LAT)的探測,伽馬射線達到95Gev。但耀斑亮度與高能伽馬射線之間的關係,卻與理論預期不符。

不會烤焦地球

    由於伽馬射線爆發而把地球烤焦的可能性很小。研究人員解釋說,去年4月份伽馬射線大爆發時,地球確實位於衝擊的中心,我們正對著直接衝擊。但塌縮的恆星產生的爆炸離我們非常遙遠,到達地球時已經變得很微弱。這些爆炸是大爆炸後早期宇宙形成的一部分,這部分區域有大量更輕的元素。而在離地球近的地方,有大量更重的元素會遏制恆星塌縮。

    費米伽馬射線爆發監測儀(GBM)主要研究員麥可·布裡格斯說:「我們的觀察顯示,在目前宇宙中,伽馬射線爆發並不普遍。」

    另一位研究員麥可·伯吉斯也說:「這些爆炸發生在更年輕的星系,而我們處在目前宇宙中最老的星系。因為當你仰望太空向深處看,就是在沿時間之流向過去看。」所以任何外面的爆發,都來自極其遙遠的地方,等它經歷了極漫長時間到達地球時,爆炸威力早已所剩無幾。

    相關恆星非常巨大。伽馬射線爆發研究負責人羅伯·普利斯說,我們能事先看到大量警兆,「我們能清楚看到它們吹出的風在前進,並能事先知道這些風要去哪兒」。恆星事件產生的伽馬射線爆發更像是步槍,而不是散彈獵槍。只要不是離它很近,並且不是直接位於彈道軌跡上,都不會有事。

    事實上,研究人員同時也在觀察一顆離地球更近的名為Eta Carinae的恆星,這顆恆星被稱為超超巨星,有可能會塌縮產生伽馬射線爆發。「但它對我們的傷害卻被定在5級以內。」普利斯說,雖然這些事件在宇宙中經常發生,但在每個星系發生的概率只不過「每百萬年一次」。

奧陶紀生物大滅絕

最近一個新理論提出,伽馬射線爆發導致了地球歷史上一場大規模的滅絕,即4.5億年前的奧陶紀大滅絕,比恐龍滅絕那次要嚴重的多,當時三分之二左右的物種毀於一旦。

    伽馬射線「襲擊」地球時,會破壞地球大氣層平流層的分子結構,形成新的氮氧化物,使得地球被一層「棕褐色的煙霧」包圍,臭氧層也遭到嚴重破壞。這時,紫外線強度比正常情況要強至少50倍,足以使地表生物喪命。這一時期,大多數生活在地表或接近地表的生物,尤其是海洋淺水生物幾乎都滅絕了,而深水生物則倖免於難,這也是「伽馬射線說」的有力佐證。伽馬射線的第二個影響是,大量氮氧化物使地球大氣層溫度下降,地表降溫,進而導致冰期的來臨。在這次生物大滅絕之前,地球上「超乎尋常的溫暖」。

    但也有科學家認為,用伽馬射線來解釋奧陶紀生物滅絕現象,這種說法還有待於進一步檢驗。

探索爆發原因

    伽馬射線爆發的起源和進化是科學家感興趣的,其中一個原因是,在大爆炸時有許多類似的事件,理解這些現象會為我們研究宇宙起源提供線索。

    當一顆恆星塌縮時,其景觀看起來就像用咖啡棒攪拌咖啡,攪拌的中心是顆黑洞,除此之外科學家不知道更多的信息。這種攪拌會產生強大的能量流,即伽馬射線爆發。伽馬射線爆發也是宇宙中最明亮的爆發。

    科學家認為,伽馬射線爆發是在一顆大質量恆星的內核用光了核燃料時引發的,其內核在自身重力下發生塌縮形成一個黑洞,然後黑洞發動了粒子噴射,一路旋轉著穿過正在垮塌的恆星,以近乎光速噴入太空。伽馬射線是能量最高的光。圍繞著黑洞的熱物質和噴射範圍內的垮塌所產生的內部衝擊波,被認為是發出高能(百萬電子伏特級)伽馬射線的輻射源,這些射線的能量大約是可見光的50萬倍。科學家認為,當噴射猛烈撞擊它周圍的物質時,發出了伽馬射線,形成了外部衝擊波。

挑戰現有理論

    阿拉巴馬大學漢茲維爾分校研究人員稱,他們探測到伽馬射線爆發就像蛋糕外面結了一層冰霜。但用數學模型來檢驗時,卻與費米大太空望遠鏡(Fermi Large Space Telescope)傳感器獲取的真實數據不符。

    「我們以為,這種耀斑的可見光來自內部衝擊波,但這次爆發顯示,它一定是來自外部衝擊波,產生了能量最高的伽馬射線。」費米小組成員、馬裡蘭大學的希爾維亞·朱說。

    對一次伽馬射線爆發而言,它是相對較近的,它的光旅行了38億年到達地球,但這一距離只有通常伽馬射線爆發的1/3左右。義大利雨燕小組布雷拉觀測臺的吉安佩羅·泰利亞弗利說:「但根據雨燕和地面望遠鏡的詳細觀察,清晰顯示GRB 130427A的性質更像通常距離的爆發,而不是離得這麼近。」

    「我們還未真正弄清楚產生伽馬射線的原因。我們以為自己知道,認為這是由於恆星塌縮。」伯吉斯說,他和普利斯開發出了一些模型,用以測算伽馬射線波譜,這些波譜有助於深入理解爆炸的起源,他們稱之為噴射。「兩年來,我們檢測到了各種各樣的爆發,然後,這次爆發發生了,這對我們的研究來說真是太好了。這些伽馬射線暴風,是自大爆炸以後宇宙中發生的最激烈事件。我們正在研究爆發是怎樣產生的,這會為我們打開一扇窗,看到它們是從噴射的什麼地方產生的。」


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