作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2023/8/23 10:23:12
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从恒星耀斑到伽马射线暴,看宇宙间盛大的“烟花表演”

 

夜空看起来非常宁静,但用一台可在几天内扫描整个天空的望远镜凝视太空,我们就会见证一场场盛大的“烟花表演”:从恒星耀斑到伽马射线暴(GRB),从快速射电暴(FRB)到千新星,这些宇宙间盛大的“烟火”向我们展示宇宙极致绚丽的同时,也在向我们讲述着宇宙的奥秘。

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两颗中子星碰撞(艺术图)。图片来源:英国华威大学

恒星耀斑:活跃恒星的剧烈电磁喷发

中国科学院国家天文台研究员张承民向科技日报记者介绍说:“恒星耀斑是恒星大气中最剧烈的爆发现象之一,指恒星表面局部区域突然释放出极高能量的过程。在此过程中,恒星会在多个波段释放出强烈的电磁辐射,同时还会出现剧烈的高能粒子辐射。当太阳发生耀斑时,我们会看到其突然变亮,然后迅速恢复平静。类似的事情也发生在各种质量大小不一、温度和光度不同的恒星中。”

张承民解释道,科学家已经知道太阳耀斑出现的原因:构成太阳的旋转气体携带磁场,由于太阳外层的对流和太阳自转,使得这些气体不停地运动,磁力线不断被拉伸和纠缠。当这些磁力线彼此接触并合并时,会释放出大量能量,它加热太阳周围的大气层并使粒子加速运动,导致突然爆发。

有时,多余能量会将太阳的一些物质抛射出来,形成日冕物质抛射。在极端情况下,这些高能辐射物质会到达地球,与地磁场相互作用,还可能危及卫星甚至地面电力基础设施。因此,天文学家一直在密切监测太阳的爆发活动。

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FRB18112旅行轨迹(艺术图)。图片来源:欧洲南方天文台

千新星:碰撞中子星产生的大爆炸

千新星是碰撞中子星产生的大爆炸。当两颗中子星围绕一个共同的质心运行时,系统会以引力波的形式释放能量。最终,两颗中子星相撞,科学家在电磁光谱的可见光、红外和伽马射线部分会看到强烈的闪光。

“千新星是近些年引入的天文学术语,因为其峰值亮度高达经典新星的1000倍。”张承民介绍说。

科学家对千新星的了解大多来自双中子星并合产生的引力波事件GW170817,其证实了一些关于千新星的假设。首先,它支持中子星并合产生短而强烈伽马射线爆发的观点;其次,它证明了这些并合会孕育出一些重元素:中子被吸收到原子核中,产生铂和金等重金属。

不过,这其中诸多细节仍然未知,中子星的“状态方程”仍然是天体物理学领域最大的“悬案”之一。

FRB:来自遥远他乡的神秘脉冲

2007年,天文学家首次发现了FRB,这是来自遥远星系的强大的无线电脉冲,持续时间为几毫秒。起初,他们很不解:什么事件能在几分之一秒内释放出与太阳辐射10万年一样多的能量?

2012年,又一个重复的FRB闯入天文学家的视野。截至2023年7月,人们总共观测到了675次FRB。

张承民指出:“FRB如此短暂、强烈和明亮,科学家认为,其源头的物质分布必须非常致密。而且,鉴于FRB呈极化状态,因此源头必须具有非常强的磁场。在此基础上,科学家普遍认为FRB是由被称为磁星的强磁化年轻中子星爆发而来。”

天文学家也一直在研究如何利用这些FRB,因为每个FRB脉冲都以无线电频率到达地球,根据高频和低频信号之间的时间延迟,科学家可推断出它们所到之处的一些特性。

GRB:宇宙中最明亮的闪光

张承民解释说,伽马射线是能量最高的光,GRB是人们见过的最亮、能量最高的瞬态光子爆发事件。它们可以持续几毫秒到几分钟。鉴于它们也经常在X射线、光学和无线电发射中“露出马脚”,科学家因此能研究它们的来源。

目前,科学家发现了两种不同的GRB。张承民说:“长GRB持续时间为2—60秒,被认为由核心坍塌的超亮超新星产生。这种坍塌形成了一个黑洞,将恒星的残余物搅成强大的喷流。”而短GRB持续时间不到2秒,与中子星和黑洞等致密物体的并合有关。

GRB不断给人类带来惊喜。2022年10月9日,天文学家发现了迄今最剧烈爆发的长GRB,并将其命名为BOAT,它可能是人类文明开始以来,宇宙向地球发射的最亮信号。

张承民说:“星辰日月高天际,雪散烟花遍海隅。这些绚丽的‘烟花’也是遥远宇宙派来的‘使者’,对其开展深入研究将有助我们进一步揭示宇宙的秘密。”

 
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