X射線暴及其影響

洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院 河南 洛陽 471934

1 X射線暴的發(fā)現(xiàn)

從1975年起,衛(wèi)星已能探測到出現(xiàn)持續(xù)數(shù)秒鐘的劇烈X射線爆發(fā)的星,這些星稱為X射線暴。X射線暴與新星相似,但其釋放的能量卻大的多;對(duì)中子星而言,爆發(fā)的機(jī)制可能是其表面上的熱核爆炸。這類暴發(fā)發(fā)現(xiàn)于1975年,其主要特點(diǎn)有:一次爆發(fā)大約有1032焦耳的能量輻射出去,一次爆發(fā)的時(shí)間為幾秒至數(shù)百秒,目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆,大多數(shù)在銀河系內(nèi),有些暴源還是持續(xù)的X射線源(即能不斷地發(fā)射一定強(qiáng)度的X射線),其它的則是在爆發(fā)時(shí)才在X射線波段可見。

此外還有兩個(gè)特殊的X射線暴:一個(gè)是于1976年發(fā)現(xiàn)的快速暴MXB1730-335,這個(gè)源有時(shí)處于“寧靜態(tài)”,有時(shí)處在活動(dòng)期。在活動(dòng)期內(nèi),一天可產(chǎn)生上千個(gè)X射線暴,暴與暴之間的時(shí)間間隔僅10-1000秒;另一個(gè)是硬X射線暴GROJ1744-28。它是1996年2月被發(fā)現(xiàn)的,這個(gè)暴的突出之處在于輻射光子的能量屬硬X波段(25-75kev),每次暴持續(xù)時(shí)間基本相同為4-6秒,爆發(fā)差不多每小時(shí)一次,更為有趣的是在首次暴后13天,人們觀測到了X射線脈沖輻射,這表明他是一顆X射線脈沖星。

重復(fù)的爆發(fā)并不具有周期性。脈沖星的極為規(guī)則的周期是由于中子星的自轉(zhuǎn),而X射線暴的再發(fā)是由于氦在中子星表面的重復(fù)堆積和爆炸。觀測表明,脈沖星的輻射從來沒有爆發(fā),而爆發(fā)源的輻射從來沒有脈沖,而且,爆發(fā)源也不一定是再發(fā)性的。這意味著,X射線暴所在的雙星系統(tǒng)比脈沖星所在的系統(tǒng)要老,因而前者的中子星已老化到失去了磁場,或者前者就是根本沒有物質(zhì)表面的黑洞[1]。

X射線暴極為壯觀,也極為稀少。估計(jì)每10億顆恒星中只有1顆這樣的星,所以銀河系中總共只有大約100顆。這種稀少是由于雙星系統(tǒng)X射線輻射階段的短暫:對(duì)大質(zhì)量系統(tǒng)而言,這個(gè)階段只有1萬年(低質(zhì)量系統(tǒng)則要長得多),與恒星的一生相比只是一瞬間。在這段時(shí)間里,伴星膨脹到超出其洛希瓣,并且因轉(zhuǎn)移的物質(zhì)過多而在致密星周圍形成一個(gè)X射線不能透過的稠厚包層,于是X射線源被熄滅。

科學(xué)家于2004年2月18日首次得到超大質(zhì)量黑洞撕裂恒星的有力證據(jù)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨大黑洞不僅撕裂了一個(gè)像太陽大小的恒星,吞吃了這顆恒星的一部分,還將剩余部分拋擲入黑洞之外的太空中。他們通過“錢德拉”和“XMM牛頓”天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡跟蹤RXJ1242星系核心,在這個(gè)距地球7億光年的星系中觀測到了耀眼的X射線暴發(fā)?？茖W(xué)家認(rèn)為,這是被黑洞所吞噬的恒星發(fā)出的“臨終呼叫”。這顆遭此厄運(yùn)的恒星很可能是在與另一顆恒星近距離相遇后,偏離了原來的運(yùn)行軌道,結(jié)果過于靠近那個(gè)超大質(zhì)量的黑洞,并在后者巨大的引力下伸展,最終被撕扯得四分五裂。這個(gè)結(jié)果支持過去提出的一項(xiàng)理論,即黑洞能抓住宇宙天體,將其拉長到使其斷裂,然后將它吃掉。

自上世紀(jì)60年代以來,天文學(xué)家已獲得證據(jù),某些星系能發(fā)射極強(qiáng)的電磁輻射,這種輻射是由被吸入星系中心黑洞的旋渦狀物質(zhì)引起的。而此次的觀測證實(shí)了這一論據(jù)。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn):“在典型的星系中,每1萬年才有一次可能發(fā)生恒星的潮汐破壞力。接近黑洞的恒星不一定都會(huì)被肢解和吞吃,某些恒星可能被吞吃,大部分則可能被迫以比其正常轉(zhuǎn)速更快的速度移動(dòng),移動(dòng)速度會(huì)呈指數(shù)上升”[2]。

2 X射線暴對(duì)地球造成的影響

2.1 太陽風(fēng)暴光臨地球干擾通信 發(fā)生大黑洞吞吃恒星的現(xiàn)象遠(yuǎn)離地球,但可能會(huì)對(duì)銀河系產(chǎn)生影響。像很多星系一樣,銀河系的中心也隱藏著大黑洞。不過太陽離銀河系中心很遠(yuǎn),約為2.5萬光年,目前還沒發(fā)現(xiàn)有足以吞吃恒星的黑洞靠近太陽,因此太陽很安全。但是處于活動(dòng)高峰期的太陽風(fēng)暴卻對(duì)我們?nèi)祟惖纳町a(chǎn)生了一定的影響。

如2001年4月3日太陽風(fēng)暴再度頻繁產(chǎn)生了25年來最強(qiáng)的一次太陽X射線暴,對(duì)全球的衛(wèi)星和短波等通信造成了災(zāi)害性影響,我國境內(nèi)的短波通信也中斷近兩個(gè)小時(shí)。由于我國大部分地區(qū)天還沒亮,通信沒有受到太大影響。不過巨大的質(zhì)子流迅速到達(dá)地球,這次X射線暴使監(jiān)測太陽風(fēng)暴的X射線測量儀達(dá)到飽和值,對(duì)于太平洋地區(qū)的通信產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。而滿洲里、新鄉(xiāng)等10多個(gè)電波觀測站監(jiān)測到我國上空產(chǎn)生了嚴(yán)重的電離層干擾,境內(nèi)的短波通信基本上處于中斷狀態(tài)。因此當(dāng)由太陽X射線暴發(fā)到達(dá)地球的太陽低能粒子流的強(qiáng)度不大,電離層受到的騷擾可能并不嚴(yán)重,所以建議短波通信用戶適當(dāng)降低適用的通信頻率,以避免通信受到干擾。

再如,中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心同步軌道上的風(fēng)云二號(hào)B衛(wèi)星FY-2B在2003年10月28日監(jiān)測到一次劇烈的太陽風(fēng)暴事件——X射線暴發(fā)。平時(shí)監(jiān)測屏上顯示平滑的X射線曲線,在10月28日19點(diǎn)10分(北京時(shí)間),FY-2B監(jiān)測到太陽X射線流量猛增,隨后觀測到大量的太陽高能質(zhì)子注入到同步軌道,發(fā)生磁暴,在地面已經(jīng)監(jiān)測到磁暴,造成局部電離層通信中斷。據(jù)悉10月28日晚,日本兒玉通訊衛(wèi)星信號(hào)中斷;29日,我國一些城市的電波通訊受到嚴(yán)重干擾,如北京和拉薩等城市高頻無線電信號(hào)幾乎被吸收殆盡,遠(yuǎn)程無線收音受到影響。所以有關(guān)專家提醒通信用戶要時(shí)常密切關(guān)注太陽活動(dòng)的動(dòng)態(tài),采取必要的預(yù)防措施,才可以降低通信干擾帶來的損失。

2.2 太陽風(fēng)暴不會(huì)直接影響健康 太陽風(fēng)暴對(duì)人類健康沒有影響,這得益于地球大氣層和地球磁場對(duì)我們的保護(hù)太陽每天通過電磁輻射和太陽風(fēng)向宇宙空間發(fā)出巨大的能量。在太陽風(fēng)暴發(fā)生時(shí),輻射從無線電波到γ射線,幾乎所有波段都有大增強(qiáng),在X射線波段,稱為太陽X射線暴。無線電波對(duì)人體沒有影響,紅外和可見波段僅會(huì)使人感到熱,對(duì)人體有傷害的是紫外線、X射線等高能輻射。X射線等高能輻射完全被大氣層所吸收,不會(huì)到達(dá)地面。太陽紫外線大部分被地球大氣中的臭氧所吸收,只有少部分的近紫外線到達(dá)地面,對(duì)人體有一定傷害。但是通常太陽爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間僅為幾分鐘至幾十分鐘,而且發(fā)生幾率極低,因此太陽風(fēng)暴對(duì)人體的影響幾乎可以忽略。當(dāng)太陽活動(dòng)劇烈時(shí),會(huì)爆發(fā)強(qiáng)烈的X射線耀斑并拋射出大量帶電粒子。

太陽耀斑的另一個(gè)“產(chǎn)品”是帶電粒子流。但是由于地球磁場作用,帶電粒子通常在5至10個(gè)地球半徑外的距離就被攔截,只有個(gè)別能量極高的粒子能夠到達(dá)地面。這些射線以及帶電粒子很快就能到達(dá)地球并對(duì)地球空間環(huán)境造成影響。正是由于地球大氣層和地球磁場的保護(hù),所以這些射線和帶電粒子對(duì)地球上的居民的影響比較小。

而在太空中,如果這些射線和帶電粒子與航天器相遇,會(huì)對(duì)航天器的安全以及航天員的健康造成嚴(yán)重影響[3]。正因?yàn)檫@樣,飛船的設(shè)計(jì)以及航天員航天服的設(shè)計(jì)都必須事先考慮這些太空殺手的威脅。

3 結(jié)束語

X射線暴對(duì)地球通訊的干擾是強(qiáng)烈的,但對(duì)人類健康的影響是微乎其微的。探測研究X射線暴使科學(xué)家首次獲得了黑洞撕裂恒星的證據(jù),在天文學(xué)史上具有重要意義。由此可知X射線暴和我們?nèi)祟惖年P(guān)系是非常密切的。我們可以利用X射線暴的特性去探索宇宙,了解宇宙中不為我們所知的奧秘,揭示它對(duì)我們地球的影響。