大爆炸以来最强大的事件,单颗光子能量高达1兆,幸好地球离得远

原标题:大爆炸以来最强大的事件,单颗光子能量高达1兆,幸好地球离得远

想象一下,能够将距离地球 1 亿光年以内的所有恒星的能量集中起来——来自数千个星系的光,每个星系都包含数十亿颗恒星。如果你可以使用这种能量来发射宇宙中最强大的武器,那它造成的破坏力可能无法用语言描述。而这种“超级武器”是真实存在的——伽玛射线暴(Gamma-ray burst,GRB)。

但它们来自哪里?它们是如何形成的?当其中一个撞击地球时会发生什么?

什么是伽马射线暴?

要了解伽马射线爆发,我们首先需要知道伽马射线是什么。伽马射线是电磁辐射光谱的一部分,这意味着它们是携带能量的波,就像可见光一样。我们人类能看到的光只是整个电磁波谱的一小部分。低能辐射的例子是无线电波、微波和红外辐射。在更高的能量下,我们发现了紫外线、X 射线和伽马射线,后者特别强。

一个伽马射线光子比一百万个可见光光子具有更多的能量。因此,伽马辐射是所谓的“电离辐射”的一部分。它的强度足以破坏我们的分子。幸运的是,我们地球上有臭氧层,它为我们过滤掉了伽马射线。但是,如果伽马射线没有穿透大气层,那么我们又是如何发现来自太空的伽马射线爆发的呢?1960年代末期,美国原本发射用来监视苏联核试验的卫星,侦测到一些来自宇宙迅速增强又减弱的伽玛射线。自此天文学家知道宇宙有这种高能现象,并开始结合太空及地面望远镜进行研究。

但在发现伽马射线暴的30年,科学家才证实伽马射线爆发是银河系外的,在某些情况下起源于数十亿光年之外。这一发现令人费解。为了解释这些物体的亮度,即使是在如此远的距离观察它们,天文学家意识到导致它们的事件必须几乎是难以想象的强大。

宇宙中最明亮的事件!

在过去的几十年里,天文学家从天空的各个点探测到极强的伽马射线爆发。天文学家所说的“长”是指只有几秒钟到几分钟。然而,它们的距离从数百万到数十亿光年不等,这表明这些物体和事件必须非常明亮才能在整个宇宙中被看到。

在 2018 年夏季至 2019 年 1 月期间,两个国际天文学家团队发现了两个新的伽马射线暴——GRB 190114C 和 GRB 180720B——两者都产生了有记录以来 GRB 事件中能量最高的光子。后续的跟进检测,测得GRB 180720B 距离地球约60 亿光年,单个光子能量约0.1~0.44 TeV。其中GRB 190114C 距离地球约45 亿光年,单颗光子能量竟高达0.2~1 TeV,是我们周围可见光光子能量的近1 兆倍(可见光光子能量仅约1 eV),可谓是有史以来最强伽玛射线暴。

但是这样的闪光是如何发生的呢?

根据天文学家的研究,伽马射线爆发伴随着宇宙中一些最暴力和最具破坏性的死亡事件,以及黑洞的诞生。伽马射线爆发有短有长,每一种都有非常不同的原因。它们的峰值光度可以是我们太阳的 1000 亿倍,甚至是最亮的超新星的 10 亿倍。长伽马射线爆发持续约一分钟,可能是由超新星产生的,即当一颗非常大质量恒星的核心坍缩成黑洞时。短暂的伽马射线爆发只持续几秒钟,可能是在两颗中子星形成双星系统时形成的,它们汇聚数百万年,直到它们最终碰撞,形成一个黑洞。

在这两种情况下,结果都是一样的:一个被弱磁化气体盘包围的黑洞。然后黑洞的旋转放大了这个磁场,导致两股极热的物质射流以接近光速的速度喷射到太空中。射流中快速加速的粒子通过与磁场和辐射的复杂相互作用产生伽马射线。随后的伽马射线继续穿过星际空间,其中一些最终到达地球。当它们与我们的大气层接触时,伽马射线会触发粒子级联反应,进而产生一种称为‘契伦科夫辐射’的蓝光现象,这种现象可以被特殊装备的望远镜探测到。

到目前为止我们很幸运!

与其他在太空中均匀扩散并逐渐消退的爆炸不同,伽马射线爆发的焦点非常集中,可以从很远的地方观察到。目前我们知道伽马射线爆发出现在整个宇宙中,爆发在几秒钟内释放的能量与太阳在其整个 100 亿年的生命周期中释放的能量一样多。虽然卫星几乎每天都会记录 GRB,但从宇宙学的角度来看,它们实际上非常罕见。

事实上,伽马射线暴一直在袭击我们的星球。平均而言,我们每天会受到一次打击,但幸运的是,大多数伽马射线暴对我们无害,因为它们的源头都太远了。假设它起源于几千光年之外,那么当它到达我们身边时,它的直径可能大约有一百光年,这意味着它可以包围整个太阳系。

此外科学家怀疑我们的地球以前遭受过一次近距离(相对)的伽马射线暴的攻击——伽马射线爆发是 4.5 亿年前奥陶纪灭绝事件的一个可能原因,该事件消灭了近 85% 的海洋生物。然而,没有任何明确的证据证明这一点。伽马射线爆发甚至可能是我们无法在宇宙其他任何地方找到生命的原因,从而解释了费米悖论。也许生命经常被伽马射线爆发消灭,甚至假设由于伽马射线爆发,所有星系中只有 10% 完全适合居住。

那么地球会有危险吗?幸运的是,此类事件的发生概率很低。在像银河系这样的星系中,每五百万年可能就会发生一次伽马射线爆发。而且地球似乎位于银河系中超大质量恒星很少见的区域,即使发生在我们的银河系中,它必须直接指向我们才能伤害我们。

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