伽馬射線能量束

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更新時間: 2013-09-04

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2011-02-17,據英國每日郵報報道,美國宇航局最新研究顯示,地球曾被50萬光年之遙的強烈「巨大耀斑」瞬間照射。這種強大的能量脈衝束照亮了地球大氣層。它源自於銀河系對面一顆中子星的龐大磁場,中子星也被稱為「軟伽馬射線中繼器」,通常噴射低能量伽馬射線,但有時其磁場重新排列時會釋放巨大的能量束。

伽馬射線能量束 -簡介
自遙遠的伽馬射線暴:2004年12月,50萬光年之遙的中子星SGR 1806-20釋放強烈的伽馬射線,亮度超過月球,照亮地球大氣層
自遙遠的伽馬射線暴:2004年12月,50萬光年之遙的中子星SGR 1806-20釋放強烈的伽馬射線,亮度超過月球,照亮地球大氣層

2011-02-17,據英國《每日郵報》報道,美國宇航局最新研究顯示,地球曾被50萬光年之遙的強烈「巨大耀斑」瞬間照射。這種強大的能量脈衝束照亮了地球大氣層。它源自於銀河系對面一顆中子星的龐大磁場,中子星也被稱為「軟伽馬射線中繼器」,通常噴射低能量伽馬射線,但有時其磁場重新排列時會釋放巨大的能量束。

伽馬射線能量束 -中子星SGR 1806-20釋放的脈衝束

「手電筒」:藝術家描述出中子星SGR 1806-20釋放伽馬射線「耀斑」
「手電筒」:藝術家描述出中子星SGR 1806-20釋放伽馬射線「耀斑」

這種能量束可穿越太空導致數千顆人造衛星出現故障,使地球頂端大氣層電離化。據美國宇航局稱,這種獨特的伽馬射線束非常強烈,比滿月更加明亮,甚至比迄今太陽系外勘測的任何天體都明亮。這一令人難以置信的伽馬射線噴發發生於2004年12月27日,是由中子星SGR 1806-20釋放的脈衝束。美國洛斯-阿拉莫斯國家實驗室的大衛-帕默博士說:「這可能是天文學家一生中難得一見的天文現象,同時也是一種非常罕見的中子星事件。在過去35年裡,我們僅探測到其它兩次太陽系外大型耀斑噴射事件,而中子星SGR 1806-20釋放的伽馬射線束的強度是前者的數百倍。」

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中子星SGR 1806-20-內部結構模型圖中子星SGR 1806-20-內部結構模型圖


伽馬射線能量束 -宇宙中存在大量的中子星

伽馬射線能量束
伽馬射線瞬間照亮地球大氣層

該伽馬射線能量束並不會對地球構成威脅,這是由於中子星SGR 1806-20距離地球非常遙遠,但如果中子星距離地球較近的話,將對地球構成致命的傷害。如果中子星距離地球僅有十幾光年,將會出現嚴重的破壞性。天文學家認為宇宙中存在大量的中子星,位銀河系內的中子星能量相對較低。

伽馬射線能量束 -將瞄準地球釋放強烈的耀斑

科學家指出,2008年3月19日,GRB 080319B恆星將瞄準地球釋放強烈的耀斑。該伽馬射線束非常明亮,人類肉眼也可觀看到。美國馬薩諸塞州哈佛史密遜森天體物理學研究中心的布賴恩-加恩斯勒說:「之後最大的太陽系內伽馬射線『巨大耀斑』與2004年12月27日出現的伽馬射線耀斑事件相比,則顯得微不足道。」加恩斯勒強調稱,如果類似的中子星僅在十幾光年範圍內釋放伽馬射線,將嚴重損壞地球大氣層。幸運的是,我們探測到的所有中子星都距離地球較遠。[2]

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伽馬射線能量束 -中子星

又稱作脈衝星

中子星,是恆星演化到末期,經由引力坍縮發生超新星爆炸之後,可能成為的少數終點之一。恆星在核心的氫、氦、碳等元素於核聚變反應中耗盡,當它們最終轉變成鐵元素時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落,有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸,或者根據恆星質量的不同,恆星的內部區域被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被壓縮成中子星的過程中恆星遭受劇烈的壓縮使其組成物質中的電子併入質子轉化成中子,直徑大約只有十餘公里,但上頭一立方厘米的物質便可重達十億噸,且旋轉速度極快,而由於其磁軸和自轉軸並不重合,磁場旋轉時所產生的無線電波等各種輻射可能會以一明一滅的方式傳到地球,有如人眨眼,故又稱作脈衝星。

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無可避免的將產生黑洞

一顆典型的中子星質量介於太陽質量的1.35到2.1倍,半徑則在10至20公里之間(質量越大半徑收縮得越小),也就是太陽半徑的30,000至70,000分之一。因此,中子星的密度在每立方厘米8×1013克至2×1015克間,此密度大約是原子核的密度[1]。 緻密恆星的質量低於1.44倍太陽質量,則可能是白矮星,但質量大於奧本海默-沃爾可夫極限(5倍太陽質量)的恆星會繼續發生引力坍縮,則無可避免的將產生黑洞。

有強大的表面重力

由於中子星保留了母恆星大部分的角動量,但半徑只是母恆星極微小的量,轉動慣量的減少導致了轉速迅速的增加,產生非常高的自轉速率,周期從毫秒脈衝星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有強大的表面重力,強度是地球的 2×1011 到 3×1012 倍。逃逸速度是將物體由重力場移動至無窮遠的距離所需要的速度,是測量重力的一項指標。一顆中子星的逃逸速度大約在10,000至150,000公里/秒之間,也就是可以達到光速的一半。換言之,物體落至中子星表面的速度也將達到150,000公里/秒。更具體的說明,如果一個普通體重(70公斤)的人遇到了中子星,他撞擊到中子星表面的能量將相當於二億噸核爆的威力(四倍於全球最巨大的核彈大沙皇的威力)[1]

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伽馬射線能量束 -伽馬射線

具有比X射線還要強的穿透能力

伽馬射線【拼音:gā-mǎ shè-xiàn】,或γ射線是原子衰變裂解時放出的射線之一。此種電磁波波長極短,穿透力很強,又攜帶高能量,容易造成生物體細胞內的DNA斷裂進而引起細胞突變、造血功能缺失、癌症等疾病。
它可以殺死細胞,因此也可以作醫療之用,殺死癌細胞。
1900年由法國科學家P.V.維拉德(Paul Ulrich Villard)發現,將含鐳的氯化鋇通過陰極射線,從照片記錄上看到輻射穿過0.2毫米的鉛箔,拉塞福稱這一貫穿力非常強的輻射為γ射線,是繼α、β射線后發現的第三種原子核射線。1913年,γ射線被證實為是電磁波,由原子核內部自受激態至基態時所放出來的,範圍波長為0.1 埃,和X射線極為相似,具有比X射線還要強的穿透能力。γ射線通過物質並與原子相互作用時會產生光電效應、康普頓效應和正負電子對效應。

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應用

探測伽瑪射線有助天文學的研究。當人類觀察太空時,看到的為「可見光」,然而電磁波譜的大部份是由不同輻射組成,當中的輻射的波長有較可見光長,亦有較短,大部份單靠肉眼並不能看到。通過探測伽瑪射線能提供肉眼所看不到的太空影像。在太空中產生的伽瑪射線是由恆星核心的核聚變產生的,因為無法穿透地球大氣層,因此無法到達地球的低層大氣層,只能在太空中被探測到。太空中的伽瑪射線是在1967年由一顆名為「維拉斯」的人造衛星首次觀測到。從20世紀70年代初由不同人造衛星所探測到的伽瑪射線圖片,提供了關於幾百顆此前並未發現到的恆星及可能的黑洞。於90年代發射的人造衛星(包括康普頓伽瑪射線觀測台),提供了關於超新星、年輕星團、類星體等不同的天文信息。

成因引發大辯論

關於伽馬射線暴的成因,至今世界上尚無定論。有人猜測它是兩個中子星或兩個黑洞發生碰撞時產生的;也有人猜想是大質量恆星在死亡時生成黑洞的過程中產生的,但這個過程要比超新星爆發劇烈得多,因而,也有人把它叫做「超超新星」。為了探究伽馬射線暴發生的成因,引發了兩位天文學家的大辯論。 在20世紀七八十年代,人們普遍相信伽馬射線暴是發生在銀河系內的現象,推測它與中子星表面的物理過程有關。然而,波蘭裔美國天文學家帕欽斯基卻獨樹一幟。他在上世紀80年代中期提出伽馬射線暴是位於宇宙學距離上,和類星體一樣遙遠的天體,實際上就是說,伽馬射線暴發生在銀河系之外。然而在那時,人們已經被「伽馬射線暴是發生在銀河系內」的理論統治多年,所以他們對帕欽斯基的觀點往往是付之一笑。但是幾年之後,情況發生了變化。1991年,美國的「康普頓伽馬射線天文台」發射升空,對伽馬射線暴進行了全面系統的監視。幾年觀測下來,科學家發現伽馬射線暴出現在天空的各個方向上,而這就與星系或類星體的分佈很相似,而這與銀河系內天體的分佈完全不一樣。於是,人們開始認真看待帕欽斯基的伽馬射線暴可能是銀河系外的遙遠天體的觀點了。由此也引發了1995年帕欽斯基與持相反觀點的另一位天文學家拉姆的大辯論。

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然而,在十年前的那個時候,世界上並沒有辦法測定伽馬射線暴的距離,因此辯論雙方根本無法說服對方。伽馬射線暴的發生在空間上是隨機的,而且持續時間很短,因此無法安排後續的觀測。再者,除短暫的伽馬射線暴外,沒有其他波段上的對應體,因此無法藉助其他波段上的已知距離的天體加以驗證。這場辯論誰是誰 非也就懸而未決。幸運的是,1997年義大利發射了一顆高能天文衛星,能夠快速而精確地測定出伽馬射線暴的位置,於是地面上的光學望遠鏡和射電望遠鏡就可以對其進行後續觀測。天文學家首先成功地發現了1997年2月28日伽馬射線暴的光學對應體,這種光學對應體被稱之為伽馬射線暴的「光學餘輝」;接著看到了所對應的星系,這就充分證明了伽馬射線暴宇宙學距離上的現象,從而為帕欽斯基和拉姆的大辯論做出了結論。到目前為止,全世界已經發現了20多個伽馬射線暴的「光學餘輝」,其中大部分的距離已經確定,它們全部是銀河系以外的遙遠天體 。趙永恆研究員說,「光學餘輝」的發現極大地推動了伽馬射線暴的研究工作,使得人們對伽馬射線暴的觀測波段從伽馬射線發展到了光學和射電波段,觀測時間從幾十秒延長到幾個月甚至幾年。

超新星再次引發爭論難題一個接著一個。2003年3月24日,在加拿大魁北克召開的美國天文學會高能天體物理分會會議上,一部分研究人員宣稱它們已經發現了一些迄今為止最有力的跡象,表明普通的超新星爆發可能在幾周或幾個月之內導致劇烈的伽馬射線大噴發。這種說法一經提出就在會議上引發了激烈的爭議。其實在2002年的一期英國《自然》雜誌上,一個英國研究小組就報告了他們對於伽馬射線暴的最新研究成果,稱伽馬射線暴與超新星有關。研究者研究了2001年12月的一次伽馬射線暴的觀測數據,歐洲航天局的XMM—牛頓太空望遠鏡觀測到了這次伽馬射線暴長達270秒的X射線波段的「餘輝」。通過對於X射線的觀測,研究者發現了在爆發處鎂、硅、硫等元素以亞光速向外逃逸,通常超新星爆發才會造成這種現象。

大多數天體物理學家認為,強勁的伽馬射線噴發來自恆星內核坍塌導致的超新星爆炸而形成的黑洞。麻省理工學院的研究人員通過錢德拉X射線望遠鏡追蹤了2002年8月發生的一次時長不超過一天的超新星爆發。在這次持續二十一小時的爆發中,人們觀察到大大超過類似情況的X射線。而X射線被廣泛看作是由超新星爆發后初步形成的不穩定的中子星發出。大量的觀測表明,伽馬射線噴發源附近總有超新星爆發而產生的質量很大的物質存在。

反對上述看法的人士認為,這些說法沒有排除X射線非正常增加或減少的可能性。而且,超新星爆發與伽馬射線噴發之間存在時間間隔的原因仍然不明。無論如何,人類追尋來自浩瀚宇宙的神秘能量———伽馬射線暴的勢頭不會因為一系列的疑惑而減少,相反,科學家會更加努力地去探索。作為天文學的基礎研究,這種探索對人們認識宇宙,觀察極端條件下的物理現象並發現新的規律都是很有意義的。[3]

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