看宇宙間那一場(chǎng)場(chǎng)盛大的“煙花表演”

兩顆中子星碰撞(藝術(shù)圖)。圖片來(lái)源：英國(guó)華威大學(xué)

FRB18112旅行軌跡(藝術(shù)圖)

夜空看起來(lái)非常寧?kù)o，但用一臺(tái)可在幾天內(nèi)掃描整個(gè)天空的望遠(yuǎn)鏡凝視太空，我們就會(huì)見(jiàn)證一場(chǎng)場(chǎng)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(shí)，也在向我們講述著宇宙的奧秘。

恒星耀斑：活躍恒星的劇烈電磁噴發(fā)

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張承民向科技日?qǐng)?bào)記者介紹說(shuō)：“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(guò)程。在此過(guò)程中，恒星會(huì)在多個(gè)波段釋放出強(qiáng)烈的電磁輻射，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)劇烈的高能粒子輻射。當(dāng)太陽(yáng)發(fā)生耀斑時(shí)，我們會(huì)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(xué)家已經(jīng)知道太陽(yáng)耀斑出現(xiàn)的原因：構(gòu)成太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)氣體攜帶磁場(chǎng)，由于太陽(yáng)外層的對(duì)流和太陽(yáng)自轉(zhuǎn)，使得這些氣體不停地運(yùn)動(dòng)，磁力線不斷被拉伸和糾纏。當(dāng)這些磁力線彼此接觸并合并時(shí)，會(huì)釋放出大量能量，它加熱太陽(yáng)周圍的大氣層并使粒子加速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致突然爆發(fā)。

有時(shí)，多余能量會(huì)將太陽(yáng)的一些物質(zhì)拋射出來(lái)，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(huì)到達(dá)地球，與地磁場(chǎng)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(xué)家一直在密切監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的爆發(fā)活動(dòng)。

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(dāng)兩顆中子星圍繞一個(gè)共同的質(zhì)心運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式釋放能量。最終，兩顆中子星相撞，科學(xué)家在電磁光譜的可見(jiàn)光、紅外和伽馬射線部分會(huì)看到強(qiáng)烈的閃光。

“千新星是近些年引入的天文學(xué)術(shù)語(yǔ)，因?yàn)槠浞逯盗炼雀哌_(dá)經(jīng)典新星的1000倍。”張承民介紹說(shuō)。

科學(xué)家對(duì)千新星的了解大多來(lái)自雙中子星并合產(chǎn)生的引力波事件GW170817，其證實(shí)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(qiáng)烈伽馬射線爆發(fā)的觀點(diǎn);其次，它證明了這些并合會(huì)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(guò)，這其中諸多細(xì)節(jié)仍然未知，中子星的“狀態(tài)方程”仍然是天體物理學(xué)領(lǐng)域最大的“懸案”之一。

FRB：來(lái)自遙遠(yuǎn)他鄉(xiāng)的神秘脈沖

2007年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了FRB，這是來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的強(qiáng)大的無(wú)線電脈沖，持續(xù)時(shí)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(yáng)輻射10萬(wàn)年一樣多的能量?

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

張承民指出：“FRB如此短暫、強(qiáng)烈和明亮，科學(xué)家認(rèn)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(qiáng)的磁場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家普遍認(rèn)為FRB是由被稱為磁星的強(qiáng)磁化年輕中子星爆發(fā)而來(lái)。”

天文學(xué)家也一直在研究如何利用這些FRB，因?yàn)槊總€(gè)FRB脈沖都以無(wú)線電頻率到達(dá)地球，根據(jù)高頻和低頻信號(hào)之間的時(shí)間延遲，科學(xué)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(shuō)，伽馬射線是能量最高的光，GRB是人們見(jiàn)過(guò)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(xué)和無(wú)線電發(fā)射中“露出馬腳”，科學(xué)家因此能研究它們的來(lái)源。

目前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩種不同的GRB。張承民說(shuō)：“長(zhǎng)GRB持續(xù)時(shí)間為2—60秒，被認(rèn)為由核心坍塌的超亮超新星產(chǎn)生。這種坍塌形成了一個(gè)黑洞，將恒星的殘余物攪成強(qiáng)大的噴流。”而短GRB持續(xù)時(shí)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(lái)驚喜。2022年10月9日，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今最劇烈爆發(fā)的長(zhǎng)GRB，并將其命名為BOAT，它可能是人類文明開(kāi)始以來(lái)，宇宙向地球發(fā)射的最亮信號(hào)。

張承民說(shuō)：“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(yuǎn)宇宙派來(lái)的‘使者’，對(duì)其開(kāi)展深入研究將有助我們進(jìn)一步揭示宇宙的秘密。”

(記者 劉 霞)

關(guān)鍵詞： 中子星 FRB GRB 磁星 恒星大氣