大爆炸以來最強大的事件,單顆光子能量高達1兆,幸好地球離得遠

想象一下,能夠將距離地球 1 億光年以內的所有恒星的能量集中起來——來自數千個星系的光,每個星系都包含數十億顆恒星。如果你可以使用這種能量來發射宇宙中最強大的武器,那它造成的破壞力可能無法用語言描述。而這種「超級武器」是真實存在的—— 伽瑪射線暴(Gamma-ray burst,GRB)。

但它們來自哪裡?它們是如何形成的?當其中一個撞擊地球時會發生什麼?

什麼是伽馬射線暴?

要了解伽馬射線爆發,我們首先需要知道伽馬射線是什麼。伽馬射線是電磁輻射光譜的一部分,這意味著它們是攜帶能量的波,就像可見光一樣。我們人類能看到的光只是整個電磁波譜的一小部分。低能輻射的例子是無線電波、微波和紅外輻射。在更高的能量下,我們發現了紫外線、X 射線和伽馬射線,後者特別強。

一個伽馬射線光子比一百萬個可見光光子具有更多的能量。因此,伽馬輻射是所謂的「電離輻射」的一部分。它的強度足以破壞我們的分子。幸運的是,我們地球上有臭氧層,它為我們過濾掉了伽馬射線。但是,如果伽馬射線沒有穿透大氣層,那麼我們又是如何發現來自太空的伽馬射線爆發的呢?1960年代末期,美國原本發射用來監視蘇聯核子試驗的衛星,偵測到一些來自宇宙迅速增強又減弱的伽瑪射線。自此天文學家知道宇宙有這種高能現象,並開始結合太空及地面望遠鏡進行研究。

但在發現伽馬射線暴的30年,科學家才證實伽馬射線爆發是銀河系外的,在某些情況下起源于數十億光年之外。這一發現令人費解。為了解釋這些物體的亮度,即使是在如此遠的距離觀察它們,天文學家意識到導致它們的事件必須幾乎是難以想象的強大。

宇宙中最明亮的事件!

在過去的幾十年裡,天文學家從天空的各個點探測到極強的伽馬射線爆發。天文學家所說的「長」是指只有幾秒鐘到幾分鐘。然而,它們的距離從數百萬到數十億光年不等,這表明這些物體和事件必須非常明亮才能在整個宇宙中被看到。

在 2018 年夏季至 2019 年 1 月期間,兩個國際天文學家團隊發現了兩個新的伽馬射線暴——GRB 190114C 和 GRB 180720B——兩者都產生了有記錄以來 GRB 事件中能量最高的光子。後續的跟進檢測,測得GRB 180720B 距離地球約60 億光年,單個光子能量約0.1~0.44 TeV。其中GRB 190114C 距離地球約45 億光年,單顆光子能量竟高達0.2~1 TeV,是我們周圍可見光光子能量的近1 兆倍(可見光光子能量僅約1 eV),可謂是有史以來最強伽瑪射線暴。

但是這樣的閃光是如何發生的呢?

根據天文學家的研究,伽馬射線爆發伴隨著宇宙中一些最暴力和最具破壞性的死亡事件,以及黑洞的誕生。伽馬射線爆發有短有長,每一種都有非常不同的原因。它們的峰值光度可以是我們太陽的 1000 億倍,甚至是最亮的超新星的 10 億倍。長伽馬射線爆發持續約一分鐘,可能是由超新星產生的,即當一顆非常大質量恒星的核心坍縮成黑洞時。短暫的伽馬射線爆發只持續幾秒鐘,可能是在兩顆中子星形成雙星系統時形成的,它們彙聚數百萬年,直到它們最終碰撞,形成一個黑洞。

在這兩種情況下,結果都是一樣的:一個被弱磁化氣體盤包圍的黑洞。然後黑洞的旋轉放大了這個磁場,導致兩股極熱的物質射流以接近光速的速度噴射到太空中。射流中快速加速的粒子通過與磁場和輻射的復雜相互作用產生伽馬射線。隨後的伽馬射線繼續穿過星際空間,其中一些最終到達地球。當它們與我們的大氣層接觸時,伽馬射線會觸發粒子級聯反應,進而產生一種稱為‘契倫科夫輻射’的藍光現象,這種現象可以被特殊裝備的望遠鏡探測到。

到目前為止我們很幸運!

與其他在太空中均勻擴散並逐漸消退的爆炸不同,伽馬射線爆發的焦點非常集中,可以從很遠的地方觀察到。目前我們知道伽馬射線爆發出現在整個宇宙中,爆發在幾秒鐘內釋放的能量與太陽在其整個 100 億年的生命週期中釋放的能量一樣多。雖然衛星幾乎每天都會記錄 GRB,但從宇宙學的角度來看,它們實際上非常罕見。

事實上,伽馬射線暴一直在襲擊我們的星球。平均而言,我們每天會受到一次打擊,但幸運的是,大多數伽馬射線暴對我們無害,因為它們的源頭都太遠了。假設它起源于幾千光年之外,那麼當它到達我們身邊時,它的直徑可能大約有一百光年,這意味著它可以包圍整個太陽系。

此外科學家懷疑我們的地球以前遭受過一次近距離(相對)的伽馬射線暴的攻擊——伽馬射線爆發是 4.5 億年前奧陶紀滅絕事件的一個可能原因,該事件消滅了近 85% 的海洋生物。然而,沒有任何明確的證據證明這一點。伽馬射線爆發甚至可能是我們無法在宇宙其他任何地方找到生命的原因,從而解釋了費米悖論。也許生命經常被伽馬射線爆發消滅,甚至假設由于伽馬射線爆發,所有星系中只有 10% 完全適合居住。

那麼地球會有危險嗎?幸運的是,此類事件的發生機率很低。在像銀河系這樣的星系中,每五百萬年可能就會發生一次伽馬射線爆發。而且地球似乎位于銀河系中超大質量恒星很少見的區域,即使發生在我們的銀河系中,它必須直接指向我們才能傷害我們。

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