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第75章 宇宙γ射线爆发

 γ暴的研究

宇宙射线从所有方向飞向我们,并无明显的优势方向。在天体物理学中还有另一个现象,也有高能量粒子神秘地从所有方向射向我们。这就是通常在航天器上观测到的一连串强γ射线爆发。

其实,γ射线这个名词我们不应该陌生,因为原子弹爆炸的特性就是产生短暂而强烈的γ射线爆发。当年,投在长崎的原子弹就是靠极高能量的γ射线而造成了极大的伤害。

20世纪60年代末期,S·科尔盖特和他的同事们在新墨西哥州,对各种类型超新星爆发的预期的详细过程进行了计算。他们的预言之一是,超新星会产生强烈的γ射线爆发:这似乎是对维拉卫星检测到的现象的可以相信的解释。然而,在卫星检测到的资料中寻找不到任何当时超新星爆发的形迹,即找不到它们之间的相关性。

 γ暴特点研究

所检测到的γ射线爆发平均发生率粗略地说是每天一次。正像我们说过的那样,爆发是短暂的,一般只持续几秒钟的时间;不过也曾观测到短到3%秒和长到100秒的爆发。引起人们兴趣的一点是,似乎很少有持续2秒钟左右的爆发。可能存在着两种不同类型的爆发,时间短的一种持续时间为1秒钟左右(平均为0.3秒),时间长的一种持续时间长于3秒钟(平均为20秒)。在这里我们必须得仔细一点,因为如果我们的仪器更灵敏的话,很有可能检测到持续时间更长的信号。这是受到1994年2月17日的一次十分强烈的爆发的启发而想到的。那次爆发首次出现持续的时间为180秒钟,但后来发现它的某些效应一直持续显示到10小时后。天文学家往往试图知道观测到的这种现象的精细时间结构。因为我们知道,现象的时间结构可以提供有关源的大小的线索。在爆发持续时间中,曾经见到过时间结构短于0.1%秒的爆发,它提示我们会存在着比300千米还小的发射源。

天文学家对γ暴的起源的认识并不一致。一种观点是,γ暴的发生是两个压缩中子星(或黑洞)互相碰撞和结合造成的;另一种观点是,超新星本身瓦解会引起极强烈的γ暴。

对γ暴的距离、X射线强度和喷射物的性质进行研究,科学家排除了两个中子星或黑洞碰撞造成γ暴的可能性。他们认为γ暴源自超新星爆发的可能性更大,而程度更强烈。

有关γ暴距离的问题也有激烈争论。在1997年之前,一种观点认为γ暴来自宇宙学距离上,另一种观点认为γ暴产生于银晕中。1997年以后,依靠意大利和荷兰研制的SAX卫星,观测到一些γ暴的X射线、光学和射电余辉,证实了它们的宇宙学起源。这个重大突破具有里程碑意义。

典型的γ暴在其持续的几十秒时间,所释放的γ光子总能量可高达10+{44}~10+{47}焦耳,不可避免地要形成一个以极端相对论速度向外膨胀的火球。余辉的观测初步证实了火球模型的正确性,但是很难据此推断γ暴的能源机制,只能从γ暴的光变曲线中发现一些蛛丝马迹。

宇宙γ暴探测是一项基础研究,而太阳γ暴探测与人类生存环境有密切关系。太阳γ暴会中断地球上的短波通讯,并扰动地磁,干扰高纬度国家的大型计算机和石油管道等重要设备的正常运作。γ射线对人有伤害,宇航员在飞船外作业,需要事先对γ射线的大爆发有所预见。

在我国第一艘无人飞船“神舟”二号上,曾搭载我国自行研制的宇宙γ暴探测系统,这是我国首次进行宇宙γ暴探测,此前只有美国、前苏联和欧盟国家具备这种能力。

没有任何理由认为一个文明能够永世长存。宇宙中有许多因素能毁灭生命世界。比如,宇宙中最有威力的现象γ射线大爆发,能使方圆几百光年内的生命灭绝,而每年能够观察到几百次这样的爆发。文明的高度发展也许能预测、防御这类灾难。

 γ暴研究新进展

最近发送上天的宇宙γ暴探测系统,由超软X射线探测器、硬X射线探测器和γ射线探测器组成。它可以探测宇宙γ射线的爆发强度、发生方向、变化规律和在不同波段上的不同辐射等,这些重要信息的相关数据通过通讯系统传回地球。

科学家提出一个上述互动过程中释放能量的模型。在这个模型中,沿黑洞旋转轴的束状喷流中释放的能量,将作为γ暴被探测到,而黑洞的主要能量是以引力波的形式从恒星环辐射出去。该模型解决了观测证据的一个佯谬:γ暴被束缚成中等能量束;但是,作为γ暴的可能来源,旋转黑洞的大部分能量是各向释放出去的。从被黑洞撕拉推动到最后被吞噬,恒星环还绕黑洞旋转大约20秒,在这段时间,黑洞的转速达到恒星环转速的2倍时,沿黑洞的转动轴将发射能量喷流。这些喷流在离黑洞约20亿千米的距离时,它们以γ暴的形式耗散自己的动能。

普特顿认为,天体物理的暂现事件中,宇宙γ暴是研究克尔黑洞的最具有价值的信息源。γ暴起源于非常致密的区域,直径也许只有10~30千米,与此相吻合的天体只有克尔黑洞,克尔黑洞转动得如此之快,以至于其1/3的能量都以转动形式存储着。根据广义相对论的推论,克尔黑洞的表面没有细部结构,如果克尔黑洞活动的话,它的发光是各向性的,但是,这种强大的引力作用至今未被地面探测仪器检测到。科学家期望在今后几年内可以用激光干涉引力波天文台探测到它们。

但是一切的理论还都是假设,现在还没有明显的证据证实它。我们期待以后的观测会给出更好的解释。

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