洞庭東山人

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黑洞“潮汐撕裂事件”和伽玛射线脉冲

(2018-04-10 11:09:29) 下一个

黑洞“潮汐撕裂事件”和伽玛射线脉冲

上世纪60年代,美国发射了一颗探测伽马射线的军用卫星,主要用于监视苏联和中国进行核试验,因为核武器爆炸时必定会产生大量的伽马射线。1967年这颗卫星探测到神秘的伽马射线脉冲,每天一至两次,时间完全隨机,强度可以超过全天伽马射线的总和,来源并不在地球上,而来是宇宙深空。由于保密的原因,关于伽马射线脉冲的首批观测资料直到1973年才予公开发表。此后观察研究宇宙中伽马射线脉冲成为天文物理的一个重要分支。

2011年3月28日凌晨,全球一些天文学家团队的传呼机和手机都收到了告急通知。斯威夫特(Swift)卫星刚刚探测到了来自空间深处的高能辐射脉冲。斯威夫特是由美国宇航局与意大利和英国的研究机构合作研制的一款高灵敏的太空望远镜,用于研究天空中各种类型的天体爆炸。但它的主要目标是伽马射线脉冲,简称伽马暴(Gamma Ray Burst,缩写GRB),此类宇宙中最强的高能射线都与星球灾难性爆炸事件有关。每当大量伽马射线通过斯威夫特的传感器时,望远镜就会迅速重新定位,并立刻通知地球上各相关天文站协同跟踪观察。

自2004年升空以来,斯威夫特已经发现了1000多个伽马暴,但是2011年3月28日的这个伽马暴——后来被称为Swift J1644+57——被证明与之前看到的完全不一样,它终将成为重大的天文学事件被纪录下来。

顾名思义,伽马暴应该是短暂的事件,通常持续时间在几分之一秒到几分钟之间。2011年3月28日早上当望远镜转向 J1644+57,天文学家预计也只会看到标准的伽马暴,即短暂的伽马射线脉冲和迅速消亡的电磁幅射余辉。但事实相反,观察到的是持续了一天的明亮而不稳定的伽马射线耀斑,接着是强烈的x射线辐射,持续数月之后才渐渐衰落。

这次伽马暴发生在天龙座中的一个小星系,距离地球约38亿光年。加州大学伯克利分校的科学家 Joshua S. Bloom 认为世人目睹了“潮汐撕裂事件”全程实况直播,他还正确地预测了这个特定的伽马射线源可以在该星系的中心找到,那里就是超大质量黑洞的所在地。

每个星系的中心——包括我们的银河系——都有黑洞存在,黑洞巨大的引力对星系的结构和运动起着决定性的作用。黑洞就是一个超大质量压缩成极小体积的天体,它的周围时空曲率无限大就连光也不能逃脱,因此被称为黑洞。

黑洞虽然无法直接观察,但是黑洞巨大的引力会吸入周围的星体,就像猛兽吞噬无辜的小动物,这时往往会暴露出狰狞的面目。有道是:星系有奇洞,锁在尘埃中。寻常看不见,偶尔露峥嵘。

黑洞“偶尔露峥嵘”发生在吞食过路恒星的特定事件中。在这过程中黑洞的脾气极差,吃相难看,张牙舞爪,把捕获物撕裂吞嚼,也让人们对黑洞的本性有了更多更深的了解。天文学家把这种特定事件称为:“潮汐撕裂事件”(Tidal Disruption Event,缩写TDE)这里使用“潮汐”这词是有其道理的,黑洞撕裂分解恒星的力学机制与月球造成地球潮汐没有任何区别,它们都是引力场在球体上的不均匀分布而导致的潮汐力所决定的。关于潮汐力的起因和相关物理现象分析将另作专文详述。

图一是“潮汐撕裂事件”的示意图。该图印象地显示出了一颗太阳大小的恒星(左下角)不幸被质量为百万个太阳之巨的黑洞(中间黑斑)捕获、撕裂、吞食的全过程。这颗可怜的恒星是被黑洞巨大的潮汐力撕裂的(发生在圆轨道的顶端),被撕裂的恒星碎片会展开,并逐渐与恒星的原始轨道相分离。在潮汐力的作用下,大约一半的碎片会被抛离黑洞进入宇宙空间,而另一半将循环回来形成吸积盘,成螺旋环的形状被黑洞吞食。

 P1)黑洞“潮汐撕裂事件”示意图。

恒星的碎片在吸入黑洞过程中会被加速到接近光速,它们在引力压缩和相互摩擦中会加热到25万摄氏度以上,辐射的能量比百万个太阳还亮。这种恒星有点像悲剧中的英雄,在走向自已生命终点时,它会有最后一次的奋搏和爆发,这是恒星为自己的葬礼献上的最为凄美的礼花。“鸟之将死,其鸣也哀;星之将亡,其形亦美。”恒星归葬时的礼花在天空中可维持一个星期或数月之久。

“潮汐撕裂事件”会产生伽玛暴,因为黑洞本身的旋转在其附近空间引成强磁场,被高速吸入的部分恒星气体在磁场作用下沿着黑洞自旋轴方向加速弹出,引成准直粒子束(Particle Jet),速度几乎接近光速,它们向宇宙空间射出伽马射线和X射线[1]。应该指出,不是所有“潮汐撕裂事件”都强烈到产生准直粒子束,即使产生了粒子束但方向不朝向我们地球也是白搭。本文开始提及的斯威夫特发现的Swift J1644+57 伽马暴就是一个难得的好机会、好例证,它让我们看到了发生在38亿光年外的小星系中心的“潮汐撕裂事件”的全过程。

虽然理论物理学家几十年前就预期会有“潮汐撕裂事件”发生,但直到二十一世纪初,天文学家都没有直接观察到这种天文现象。首先是观察上的问题,简单的理论模型表明,“潮汐撕裂事件”的吸积盘的辐射集中在软x射线和远紫外线部分,这部分电磁辐射会受到星际尘埃和地球大气层的干扰,很难被地面设备观察到。另一个原因是由“潮汐撕裂事件”的稀少性所造成的,据估计,它们在像银河系这样规模的星系中每10万年才出现一次。

“潮汐撕裂事件”的发生取决于恒星和黑洞的大小。一个小而密集的恒星如白矮星,它对潮汐力的抵抗力就要超过大而蓬松的恒星,这就像一个保龄球比一团棉花糖更难被撕裂。那些拥有数十亿太阳质量的黑洞,引力实在太大了,恒星来不及撕裂已被黑洞一口吞下,连一点残渣都没有剩下,当然也就不会有“潮汐撕裂事件”。“潮汐撕裂事件”发生的条件是:数百万太阳质量的黑洞,有正常恒星进入其周围大约5000万公里空间——大概是水星与太阳之间的距离。

天文学常识告诉我们,每个恒星都有行星伴随。当恒星进入“潮汐撕裂事件”,它的伴随行星的结局可想而知,“覆巢之下,焉有完卵。”除了灰飞烟灭还能有什么好下场?好在我们太阳系位于银河星系的边缘,远离银河系中心的黑洞,真是谢天谢地。看来不仅做人要低调,做星也要避开是非中心。远离星系中心不仅是为了减少被黑洞撕裂吞食的机率,而且也可降低由此引发的伽马暴的伤害。有研究指出,地球上最早的生物物种大灭绝可能与伽马暴伤害有关。由此更应关注爱护我们美丽的家园、更应珍惜生命,在暴力肆虐的宇宙中地球生命圈能够存在和维持到现在实在也是一个奇迹。

观察和研究“潮汐撕裂事件”对深入了解黑洞有着极高的价值,黑洞强大的引力使得任何电磁辐射无法洩漏,它把自己包裹得严严实实,不露一丝声色。黑洞只在“潮汐撕裂事件”时“偶而露峥嵘”,在这个过程中我们得以估计出它的质量、几何尺寸以及有关的动力学特征。同时有必要指出,“潮汐撕裂事件”对于研究遥远星系中的恒星构造也有重要的意义。

现在有了工作在各种波段的天文望远镜,天文学家可以观察纪录伽马射线、X射线、可见光和微波等等,归根结底这些都是各种波长的电磁辐射,详见图二。而太空望远镜又能让天文学家避开大气的干涉进行观察。这些现代化的高新技术正在加速推进对“潮汐撕裂事件”的研究。

 P2)电磁辐射波谱。伽马射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线,是波长短于0.01埃的电磁波。它具有极强的穿透力。

由于中国科学家的努力,对黑洞的观察研究如今又增添了更新的技术手段。去年升空的天宫二号搭载了中国科学院,瑞士保罗谢尔研究所,瑞士日内瓦大学联合研制的伽马暴探测设备,着重测量宇宙中伽马射线的偏振状态。今年6月15日中国又成功发射硬X射线调制望远镜HXMT(Hard X-ray Modulation Telescope),HXMT比斯威夫特及其它国外X光太空望远镜具有更强大的成像能力和更好的空间分辨本领,它将实现空间硬X射线高分辨巡天,以发现更多的天体高能辐射新现象。期待这些中国的高新技术手段在黑洞及其它高能天文物理的探索研究中作出重大贡献。

 P3) 中国硬X射线调制望远镜HXMT。

 

本文首发于 《科学画报》 2017年11期

 

[1]“潮汐撕裂事件”中伽马射线的产生原因是黑洞周围存在强磁场。人们早已预言黑洞周围存在磁场,而且于2015年被MIT的科学家用实验证实。恒星碎片中的质子和中子在黑洞强磁场作用下在原子核内跃迁,辐射出高能伽马射线。

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