X射線暴及其影響

洛陽師范學院物理與電子信息學院 河南 洛陽 471934

1 X射線暴的發現

從1975年起,衛星已能探測到出現持續數秒鐘的劇烈X射線爆發的星,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;對中子星而言,爆發的機制可能是其表面上的熱核爆炸。這類暴發發現于1975年,其主要特點有:一次爆發大約有1032焦耳的能量輻射出去,一次爆發的時間為幾秒至數百秒,目前已發現數十顆,大多數在銀河系內,有些暴源還是持續的X射線源(即能不斷地發射一定強度的X射線),其它的則是在爆發時才在X射線波段可見。

此外還有兩個特殊的X射線暴:一個是于1976年發現的快速暴MXB1730-335,這個源有時處于“寧靜態”,有時處在活動期。在活動期內,一天可產生上千個X射線暴,暴與暴之間的時間間隔僅10-1000秒;另一個是硬X射線暴GROJ1744-28。它是1996年2月被發現的,這個暴的突出之處在于輻射光子的能量屬硬X波段(25-75kev),每次暴持續時間基本相同為4-6秒,爆發差不多每小時一次,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。

重復的爆發并不具有周期性。脈沖星的極為規則的周期是由于中子星的自轉,而X射線暴的再發是由于氦在中子星表面的重復堆積和爆炸。觀測表明,脈沖星的輻射從來沒有爆發,而爆發源的輻射從來沒有脈沖,而且,爆發源也不一定是再發性的。這意味著,X射線暴所在的雙星系統比脈沖星所在的系統要老,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表面的黑洞[1]。

X射線暴極為壯觀,也極為稀少。估計每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X射線輻射階段的短暫:對大質量系統而言,這個階段只有1萬年(低質量系統則要長得多),與恒星的一生相比只是一瞬間。在這段時間里,伴星膨脹到超出其洛希瓣,并且因轉移的物質過多而在致密星周圍形成一個X射線不能透過的稠厚包層,于是X射線源被熄滅。

科學家于2004年2月18日首次得到超大質量黑洞撕裂恒星的有力證據。天文學家發現一個巨大黑洞不僅撕裂了一個像太陽大小的恒星,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”天文臺望遠鏡跟蹤RXJ1242星系核心,在這個距地球7億光年的星系中觀測到了耀眼的X射線暴發。科學家認為,這是被黑洞所吞噬的恒星發出的“臨終呼叫”。這顆遭此厄運的恒星很可能是在與另一顆恒星近距離相遇后,偏離了原來的運行軌道,結果過于靠近那個超大質量的黑洞,并在后者巨大的引力下伸展,最終被撕扯得四分五裂。這個結果支持過去提出的一項理論,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60年代以來,天文學家已獲得證據,某些星系能發射極強的電磁輻射,這種輻射是由被吸入星系中心黑洞的旋渦狀物質引起的。而此次的觀測證實了這一論據。科學家研究發現:“在典型的星系中,每1萬年才有一次可能發生恒星的潮汐破壞力。接近黑洞的恒星不一定都會被肢解和吞吃,某些恒星可能被吞吃,大部分則可能被迫以比其正常轉速更快的速度移動,移動速度會呈指數上升”[2]。

2 X射線暴對地球造成的影響

2.1 太陽風暴光臨地球干擾通信 發生大黑洞吞吃恒星的現象遠離地球,但可能會對銀河系產生影響。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,約為2.5萬光年,目前還沒發現有足以吞吃恒星的黑洞靠近太陽,因此太陽很安全。但是處于活動高峰期的太陽風暴卻對我們人類的生活產生了一定的影響。

如2001年4月3日太陽風暴再度頻繁產生了25年來最強的一次太陽X射線暴,對全球的衛星和短波等通信造成了災害性影響,我國境內的短波通信也中斷近兩個小時。由于我國大部分地區天還沒亮,通信沒有受到太大影響。不過巨大的質子流迅速到達地球,這次X射線暴使監測太陽風暴的X射線測量儀達到飽和值,對于太平洋地區的通信產生了嚴重干擾。而滿洲里、新鄉等10多個電波觀測站監測到我國上空產生了嚴重的電離層干擾,境內的短波通信基本上處于中斷狀態。因此當由太陽X射線暴發到達地球的太陽低能粒子流的強度不大,電離層受到的騷擾可能并不嚴重,所以建議短波通信用戶適當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測預警中心同步軌道上的風云二號B衛星FY-2B在2003年10月28日監測到一次劇烈的太陽風暴事件——X射線暴發。平時監測屏上顯示平滑的X射線曲線,在10月28日19點10分(北京時間),FY-2B監測到太陽X射線流量猛增,隨后觀測到大量的太陽高能質子注入到同步軌道,發生磁暴,在地面已經監測到磁暴,造成局部電離層通信中斷。據悉10月28日晚,日本兒玉通訊衛星信號中斷;29日,我國一些城市的電波通訊受到嚴重干擾,如北京和拉薩等城市高頻無線電信號幾乎被吸收殆盡,遠程無線收音受到影響。所以有關專家提醒通信用戶要時常密切關注太陽活動的動態,采取必要的預防措施,才可以降低通信干擾帶來的損失。

2.2 太陽風暴不會直接影響健康 太陽風暴對人類健康沒有影響,這得益于地球大氣層和地球磁場對我們的保護太陽每天通過電磁輻射和太陽風向宇宙空間發出巨大的能量。在太陽風暴發生時,輻射從無線電波到γ射線,幾乎所有波段都有大增強,在X射線波段,稱為太陽X射線暴。無線電波對人體沒有影響,紅外和可見波段僅會使人感到熱,對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,不會到達地面。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地面,對人體有一定傷害。但是通常太陽爆發的持續時間僅為幾分鐘至幾十分鐘,而且發生幾率極低,因此太陽風暴對人體的影響幾乎可以忽略。當太陽活動劇烈時,會爆發強烈的X射線耀斑并拋射出大量帶電粒子。

太陽耀斑的另一個“產品”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個地球半徑外的距離就被攔截,只有個別能量極高的粒子能夠到達地面。這些射線以及帶電粒子很快就能到達地球并對地球空間環境造成影響。正是由于地球大氣層和地球磁場的保護,所以這些射線和帶電粒子對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,會對航天器的安全以及航天員的健康造成嚴重影響[3]。正因為這樣,飛船的設計以及航天員航天服的設計都必須事先考慮這些太空殺手的威脅。

3 結束語

X射線暴對地球通訊的干擾是強烈的,但對人類健康的影響是微乎其微的。探測研究X射線暴使科學家首次獲得了黑洞撕裂恒星的證據,在天文學史上具有重要意義。由此可知X射線暴和我們人類的關系是非常密切的。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,揭示它對我們地球的影響。