伽马射线暴:宇宙中能量最大的爆炸

天文学中,伽马射线暴是能量最大的一类爆炸,它甚至是宇宙大爆炸以来最具活力和最明亮的电磁爆炸事件。一次伽马射线暴只能怪持续十毫秒到几个小时,但是它却能够在短短几秒钟的时间内释放出太阳100亿年生命周期内释放的能量之和。

目前观测到的伽马射线暴一般都距离地球很遥远,在数十亿光年之外,这种超高能量的爆炸在宇宙中也是比较罕见的,根据计算,大约每个星系每隔数百万年才能发生一次伽马射线暴。

伽马射线暴形成原理图
伽马射线暴形成原理图

伽马射线暴的成因是什么?

是什么引起了伽马射线暴呢?其实目前科学家还没有一个定论,但是现在普遍能够接受的理论认为是由大质量恒星内爆形成中子星黑洞的时候才可能形成伽马射线暴。此外还有一些案例表明双中子星合并事件也可能会导致伽马射线暴。

伽马射线暴的余辉

也伽马射线暴的爆发时间极端,距离极远,所以往往科学家还没识别出来伽马射线暴源的信息,它就消失不见了。但是在理论上,伽马射线暴应该在爆发后产生相应的余辉。

伽马射线暴余辉指的是伽马射线暴产生的时候,其爆炸喷发物质会和星际气体碰撞产生较长波长的辐射,并慢慢的衰减,这样的信号虽然可能很弱,但是却会保留很长一段时间,借助于伽马射线暴余辉,科学家可以查看具体的爆发位置和相关的物理参数,从而研究出相应的结论。

伽马射线暴余辉图片
伽马射线暴余辉图片

伽马射线暴的分类

因为伽马射线暴太过于神秘和罕见,所以科学家对它的认知依然非常有限,加上它的突然性,使得对它的研究也是困难重重。目前按照爆发时间长短,可以将伽马射线暴分为三大类:

短伽马射线暴

持续时间小于2秒钟的被归类为短伽马射线暴,这类占伽马射线暴总数的30%。虽然伽马射线暴的出现次数并不少,但是因为它的出现时间非常短暂,而且爆发后还没有被成功检测到余晖,所以对于伽马射线暴的认知更加是知之甚少。

只是可以确定伽马射线暴的爆发似乎和恒星没有直接联系,看起来并不是由于大质量恒星内爆产生的,更像是双中子星合并,或者是中子星和黑洞合并的时候所产生的。不管是双中子星合并还是中子星和黑洞合并,都会得到一个黑洞。

双中子星合并产生的伽马射线暴
双中子星合并产生的伽马射线暴

也只有这样才会产生一个物理直径极小的爆炸源(直径小于0.2光秒,也就是60000公里),并且因为中子星的直径很小,所以实际上合并将会发生在2秒钟内就完成了,而一些中子星碎片则可能继续围绕新形成的黑洞旋转并在随后的几个小时内坠入黑洞,产生一些小能量爆发。

以上的这些理论,在一些短伽马射线暴中已经得到了证实。

比如2017年观测到一次引力波事件GW170817中,伽马射线暴只持续了1.7秒的时间,并在之后检测到一个能量更弱的伽马射线暴GRB 170817A,这次伽马射线暴被认为是由两颗中子星合并引起的。

长伽马射线暴

目前观测的伽马射线暴中有大约70%都属于时间超过2秒钟的长伽马射线暴,因为它们持续的时间更长,而且在爆炸后往往会形成明亮的余辉,所以对于它们的记录与研究是最详细的。

经过研究发现,长伽马射线暴一般都和恒星快速形成的星系有关,许多情况下,长伽马射线暴也和核心坍缩的超新星有关系。所以长伽马射线暴的起源和星爆星系、大质量恒星内爆都有很大的关系。

但是在2022年的时候,天文学家认为一些中子星合并也能够产生长伽马射线暴。

大质量恒星形成的长伽马射线暴
大质量恒星形成的长伽马射线暴

超长伽马射线暴

有的长伽马射线暴能够持续很长时间(超过10000秒),它们的主要特征就是伽马射线会持续发射很长时间,研究最多的长伽马射线暴就是GRB 101225A和GRB 111209A。

超长伽马射线暴被认为是由蓝超巨星坍缩、潮汐瓦解事件或磁星诞生有关系。

需要注意的是,伽马射线暴持续时间的长短和它释放能量的大小没有必然的联系,并不是说持续时间越长能量释放就越巨大。

比如目前观测到最明亮的一次伽马射线暴是GRB 080319B,它最亮的时候亮度达到了−67.57(比从地球上看到的太阳亮 21 千万亿倍),即便是远在75亿年外,它依然能够被人眼看到。这次爆发所产生的爆炸相当于把两个太阳质量的物质变成纯能量释放出来。

伽马射线暴为什么能量如此高?

一般来说引起伽马射线暴的原因都是一些超大质量的天体被破坏,比如中子星合并,黑洞吞并中子星,或者是大质量恒星内爆,或者是星爆星系暴力形成超大质量恒星等,本身此类事件的能量就是极为巨大的。

并且伽马射线暴一般也是高度集中的爆炸,大部分的爆炸能量都集中成狭窄的射流,如果这个射流正好对向地球的话,那么我们就能够感受到极为强大的能量爆炸。

一个典型的伽马射线暴能够将1/2000个太阳质量的物质转变为纯能量。

伽马射线暴的能量极高
伽马射线暴的能量极高

伽马射线暴对地球的威胁有多大

虽然现在我们几乎每天都能发现一次伽马射线暴,但是好在发现的所有伽马射线暴都远在银河系之外,所以我们可以不用担心伽马射线暴对地球生命的危害。

但是一旦有一个典型的伽马射线暴发生在银河系内部,哪怕它距离地球有5000到8000光年,只要它的射流方向对着地球,那么地球都是不安全的。而如果是更大规模的伽马射线暴发生在银河系中,那对地球的影响将是不可预测的。

在地球历史上,有一次大规模生物灭绝事件被认为是和伽马射线暴有关系,这就4.5亿年前的奥陶纪-志留纪生物大灭绝,导致20%~60%的海洋生物灭绝了。

发生在银河系中的伽马射线暴可能会对地球生命造成严重影响
发生在银河系中的伽马射线暴可能会对地球生命造成严重影响

发生在几千光年外的伽马射线暴会导致地面接收到的紫外线辐射短暂增加,并引起大气中氧气和氮气分子的化学反应,先生成一氧化氮,接着生成二氧化氮,这些物质会消耗臭氧层,并持续数年时间。这些都会导致地球紫外线辐射增加,从而破坏生物的DNA。

以上是关于伽马射线暴的一些介绍,总的来说,科学家对于这种爆炸的了解依然十分有限,虽然知道它很危险,但是好在距离我们都也足够遥远。

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