從恒星耀斑到伽馬射線暴——看宇宙間那一場場盛大的“煙花表演”

兩顆中子星碰撞（藝術(shù)圖）。圖片來源：英國華威大學

FRB18112旅行軌跡（藝術(shù)圖）。圖片來源：歐洲南方天文臺

夜空看起來非常寧靜，但用一臺可在幾天內(nèi)掃描整個天空的望遠鏡凝視太空，我們就會見證一場場盛大的“煙花表演”：從恒星耀斑到伽馬射線暴（GRB），從快速射電暴（FRB）到千新星，這些宇宙間盛大的“煙火”向我們展示宇宙極致絢麗的同時，也在向我們講述著宇宙的奧秘。

(資料圖片)

恒星耀斑：活躍恒星的劇烈電磁噴發(fā)

中國科學院國家天文臺研究員張承民向科技日報記者介紹說：“恒星耀斑是恒星大氣中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一，指恒星表面局部區(qū)域突然釋放出極高能量的過程。在此過程中，恒星會在多個波段釋放出強烈的電磁輻射，同時還會出現(xiàn)劇烈的高能粒子輻射。當太陽發(fā)生耀斑時，我們會看到其突然變亮，然后迅速恢復(fù)平靜。類似的事情也發(fā)生在各種質(zhì)量大小不一、溫度和光度不同的恒星中。”

張承民解釋道，科學家已經(jīng)知道太陽耀斑出現(xiàn)的原因：構(gòu)成太陽的旋轉(zhuǎn)氣體攜帶磁場，由于太陽外層的對流和太陽自轉(zhuǎn)，使得這些氣體不停地運動，磁力線不斷被拉伸和糾纏。當這些磁力線彼此接觸并合并時，會釋放出大量能量，它加熱太陽周圍的大氣層并使粒子加速運動，導致突然爆發(fā)。

有時，多余能量會將太陽的一些物質(zhì)拋射出來，形成日冕物質(zhì)拋射。在極端情況下，這些高能輻射物質(zhì)會到達地球，與地磁場相互作用，還可能危及衛(wèi)星甚至地面電力基礎(chǔ)設(shè)施。因此，天文學家一直在密切監(jiān)測太陽的爆發(fā)活動。

千新星：碰撞中子星產(chǎn)生的大爆炸

千新星是碰撞中子星產(chǎn)生的大爆炸。當兩顆中子星圍繞一個共同的質(zhì)心運行時，系統(tǒng)會以引力波的形式釋放能量。最終，兩顆中子星相撞，科學家在電磁光譜的可見光、紅外和伽馬射線部分會看到強烈的閃光。

“千新星是近些年引入的天文學術(shù)語，因為其峰值亮度高達經(jīng)典新星的1000倍。”張承民介紹說。

科學家對千新星的了解大多來自雙中子星并合產(chǎn)生的引力波事件GW170817，其證實了一些關(guān)于千新星的假設(shè)。首先，它支持中子星并合產(chǎn)生短而強烈伽馬射線爆發(fā)的觀點；其次，它證明了這些并合會孕育出一些重元素：中子被吸收到原子核中，產(chǎn)生鉑和金等重金屬。

不過，這其中諸多細節(jié)仍然未知，中子星的“狀態(tài)方程”仍然是天體物理學領(lǐng)域最大的“懸案”之一。

FRB：來自遙遠他鄉(xiāng)的神秘脈沖

2007年，天文學家首次發(fā)現(xiàn)了FRB，這是來自遙遠星系的強大的無線電脈沖，持續(xù)時間為幾毫秒。起初，他們很不解：什么事件能在幾分之一秒內(nèi)釋放出與太陽輻射10萬年一樣多的能量？

2012年，又一個重復(fù)的FRB闖入天文學家的視野。截至2023年7月，人們總共觀測到了675次FRB。

張承民指出：“FRB如此短暫、強烈和明亮，科學家認為，其源頭的物質(zhì)分布必須非常致密。而且，鑒于FRB呈極化狀態(tài)，因此源頭必須具有非常強的磁場。在此基礎(chǔ)上，科學家普遍認為FRB是由被稱為磁星的強磁化年輕中子星爆發(fā)而來?！?/p>

天文學家也一直在研究如何利用這些FRB，因為每個FRB脈沖都以無線電頻率到達地球，根據(jù)高頻和低頻信號之間的時間延遲，科學家可推斷出它們所到之處的一些特性。

GRB：宇宙中最明亮的閃光

張承民解釋說，伽馬射線是能量最高的光，GRB是人們見過的最亮、能量最高的瞬態(tài)光子爆發(fā)事件。它們可以持續(xù)幾毫秒到幾分鐘。鑒于它們也經(jīng)常在X射線、光學和無線電發(fā)射中“露出馬腳”，科學家因此能研究它們的來源。

目前，科學家發(fā)現(xiàn)了兩種不同的GRB。張承民說：“長GRB持續(xù)時間為2—60秒，被認為由核心坍塌的超亮超新星產(chǎn)生。這種坍塌形成了一個黑洞，將恒星的殘余物攪成強大的噴流。”而短GRB持續(xù)時間不到2秒，與中子星和黑洞等致密物體的并合有關(guān)。

GRB不斷給人類帶來驚喜。2022年10月9日，天文學家發(fā)現(xiàn)了迄今最劇烈爆發(fā)的長GRB，并將其命名為BOAT，它可能是人類文明開始以來，宇宙向地球發(fā)射的最亮信號。

張承民說：“星辰日月高天際，雪散煙花遍海隅。這些絢麗的“煙花”也是遙遠宇宙派來的“使者”，對其開展深入研究將有助我們進一步揭示宇宙的秘密?！?/p>

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