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雷電也能產生伽馬射線!你知道嗎?


地球上平均每天發生大約數千次伽馬射線暴,這是自然界能夠產生的最高能量光線。科學家通過整合美國宇航局“費米伽馬射線望遠鏡”(Fermi Gamma-ray Space Telescope)、地基雷達以及閃電探測器收集到的數據,有了對雷暴產生伽馬射線的細致分析。

負責這項研究的阿拉巴馬漢茨維爾大學的科學家Themis Chronis說:“令人驚奇的是,我們發現似乎任何類型的雷暴都可以產生伽馬射線,包括那些非常微弱、不起眼的雷暴。”

這種類型的爆發被稱為“陸地伽馬射線閃光”(TGFs),是1992年通過美國宇航局的“康普頓伽馬射線天文臺”發現的,該探測器一直服役至2000年。“陸地伽馬射線閃光”轉瞬即逝、不可預測,持續時間少于千分之一秒,迄今人們對它的理解仍相當匱乏。

2012年下半年,科學家使用一種新的方法,有效升級了費米探測器上的伽馬射線暴監視器的靈敏度,使得對“陸地伽馬射線閃光”的靈敏度提高了10倍,這樣就能夠記錄到此前錯過的很多微弱事件。

空間等離子和高層大氣研究中心的助理主管Michael Briggs說:“隨著我們發現的事件越來越多,結果表明‘陸地伽馬射線閃光’還伴隨有非常強的射電波段脈沖輻射。”

陸基閃電網絡可以利用射電波資料確定雷暴發生的位置,如果在同一位置能夠發現相似的“陸地伽馬射線閃光”的信號,那么就能夠判定是哪一個雷暴產生的“伽馬射線閃光”,這就打開了一扇通往深刻理解氣象學中這種極端事件的窗戶。

宇宙中的伽馬射線暴

伽瑪射線暴(Gamma Ray Burst, 縮寫GRB),又稱伽瑪暴,是來自天空中某一方向的伽瑪射線強度在短時間內突然增強,隨后又迅速減弱的現象,持續時間在0.1-1000秒,輻射主要集中在0.1-100 MeV的能段。伽瑪暴發現于1967年,數十年來,人們對其本質了解得還不很清楚,但基本可以確定是發生在宇宙學尺度上的恒星級天體中的爆發過程。伽瑪暴是目前天文學中最活躍的研究領域之一,曾在1997年和1999年兩度被美國《科學》雜志評為年度十大科技進展之列。

伽馬射線暴是宇宙中發生的最劇烈的爆炸,理論上是巨大恒星在燃料耗盡時塌縮爆炸或者兩顆鄰近的致密星體(黑洞或中子星)合并而產生的。伽馬射線暴短至千分之一秒,長則數小時,會在短時間內釋放出巨大能量。如果與太陽相比,它在幾分鐘內釋放的能量相當于萬億年太陽光的總和,其發射的單個光子能量通常是典型太陽光的幾十萬倍。

伽瑪暴有兩類,短暴(小于2秒)與長暴(大于2秒)

長暴被普遍認為是“超新星的類似物”,標志著50至100倍于太陽的恒星的毀滅性爆發。當這樣一顆龐大的恒星爆炸時,它會留下一個黑洞,并將這一信息以伽瑪射線的形式掃過宇宙。內在的物理機制首先由加州大學的物理學家Stan Woosley博士提出并發展成形,而他的“坍縮星”模型被認為是解釋長暴的主流理論。

短暴更為讓人迷惑。它們的起落時間非常短,不會是超新星,而爆發的能量并不足以構成恒星的爆發。許多研究者認為,它們是由超致密的中子星(可能也是中子星與黑洞)碰撞產生的。兩種情況都會產生另一個黑洞。然而陪審團仍舊缺席,而研討會上的辯論必然是活躍的。

伽瑪射線暴的持續時間一般在0.1秒到1000秒左右,以2秒為界,大致可以分為長暴和短暴兩類,典型的持續時間分別為30秒和0.3秒。時變的輪廓比較復雜,往往具有多峰的結構。伽瑪射線暴在天空中的分布是各向同性的,但遠距離的伽瑪射線暴明顯少于近距離的,顯示出非均勻各向同性,可以被膨脹宇宙學模型所支持,表明伽瑪射線暴是發生在宇宙學距離上的。

伽瑪射線暴爆發過后會在其它波段觀測到輻射,稱為伽瑪射線暴的余輝。根據波段不同可分為X射線余輝、光學余輝、射電余輝等。余輝通常是隨時間而指數式衰減的,X射線余輝能夠持續幾個星期,光學余輝和射電余輝能夠持續幾個月到一年。