X射线暴及其影响

洛阳师范学院物理与电子信息学院 河南 洛阳 471934

1 X射线暴的发现

从1975年起,卫星已能探测到出现持续数秒钟的剧烈X射线爆发的星,这些星称为X射线暴。X射线暴与新星相似,但其释放的能量却大的多;对中子星而言,爆发的机制可能是其表面上的热核爆炸。这类暴发发现于1975年,其主要特点有:一次爆发大约有1032焦耳的能量辐射出去,一次爆发的时间为几秒至数百秒,目前已发现数十颗,大多数在银河系内,有些暴源还是持续的X射线源(即能不断地发射一定强度的X射线),其它的则是在爆发时才在X射线波段可见。

此外还有两个特殊的X射线暴:一个是于1976年发现的快速暴MXB1730-335,这个源有时处于“宁静态”,有时处在活动期。在活动期内,一天可产生上千个X射线暴,暴与暴之间的时间间隔仅10-1000秒;另一个是硬X射线暴GROJ1744-28。它是1996年2月被发现的,这个暴的突出之处在于辐射光子的能量属硬X波段(25-75kev),每次暴持续时间基本相同为4-6秒,爆发差不多每小时一次,更为有趣的是在首次暴后13天,人们观测到了X射线脉冲辐射,这表明他是一颗X射线脉冲星。

重复的爆发并不具有周期性。脉冲星的极为规则的周期是由于中子星的自转,而X射线暴的再发是由于氦在中子星表面的重复堆积和爆炸。观测表明,脉冲星的辐射从来没有爆发,而爆发源的辐射从来没有脉冲,而且,爆发源也不一定是再发性的。这意味着,X射线暴所在的双星系统比脉冲星所在的系统要老,因而前者的中子星已老化到失去了磁场,或者前者就是根本没有物质表面的黑洞[1]。

X射线暴极为壮观,也极为稀少。估计每10亿颗恒星中只有1颗这样的星,所以银河系中总共只有大约100颗。这种稀少是由于双星系统X射线辐射阶段的短暂:对大质量系统而言,这个阶段只有1万年(低质量系统则要长得多),与恒星的一生相比只是一瞬间。在这段时间里,伴星膨胀到超出其洛希瓣,并且因转移的物质过多而在致密星周围形成一个X射线不能透过的稠厚包层,于是X射线源被熄灭。

科学家于2004年2月18日首次得到超大质量黑洞撕裂恒星的有力证据。天文学家发现一个巨大黑洞不仅撕裂了一个像太阳大小的恒星,吞吃了这颗恒星的一部分,还将剩余部分抛掷入黑洞之外的太空中。他们通过“钱德拉”和“XMM牛顿”天文台望远镜跟踪RXJ1242星系核心,在这个距地球7亿光年的星系中观测到了耀眼的X射线暴发。科学家认为,这是被黑洞所吞噬的恒星发出的“临终呼叫”。这颗遭此厄运的恒星很可能是在与另一颗恒星近距离相遇后,偏离了原来的运行轨道,结果过于靠近那个超大质量的黑洞,并在后者巨大的引力下伸展,最终被撕扯得四分五裂。这个结果支持过去提出的一项理论,即黑洞能抓住宇宙天体,将其拉长到使其断裂,然后将它吃掉。

自上世纪60年代以来,天文学家已获得证据,某些星系能发射极强的电磁辐射,这种辐射是由被吸入星系中心黑洞的旋涡状物质引起的。而此次的观测证实了这一论据。科学家研究发现:“在典型的星系中,每1万年才有一次可能发生恒星的潮汐破坏力。接近黑洞的恒星不一定都会被肢解和吞吃,某些恒星可能被吞吃,大部分则可能被迫以比其正常转速更快的速度移动,移动速度会呈指数上升”[2]。

2 X射线暴对地球造成的影响

2.1 太阳风暴光临地球干扰通信 发生大黑洞吞吃恒星的现象远离地球,但可能会对银河系产生影响。像很多星系一样,银河系的中心也隐藏着大黑洞。不过太阳离银河系中心很远,约为2.5万光年,目前还没发现有足以吞吃恒星的黑洞靠近太阳,因此太阳很安全。但是处于活动高峰期的太阳风暴却对我们人类的生活产生了一定的影响。

如2001年4月3日太阳风暴再度频繁产生了25年来最强的一次太阳X射线暴,对全球的卫星和短波等通信造成了灾害性影响,我国境内的短波通信也中断近两个小时。由于我国大部分地区天还没亮,通信没有受到太大影响。不过巨大的质子流迅速到达地球,这次X射线暴使监测太阳风暴的X射线测量仪达到饱和值,对于太平洋地区的通信产生了严重干扰。而满洲里、新乡等10多个电波观测站监测到我国上空产生了严重的电离层干扰,境内的短波通信基本上处于中断状态。因此当由太阳X射线暴发到达地球的太阳低能粒子流的强度不大,电离层受到的骚扰可能并不严重,所以建议短波通信用户适当降低适用的通信频率,以避免通信受到干扰。

再如,中国气象局国家空间天气监测预警中心同步轨道上的风云二号B卫星FY-2B在2003年10月28日监测到一次剧烈的太阳风暴事件——X射线暴发。平时监测屏上显示平滑的X射线曲线,在10月28日19点10分(北京时间),FY-2B监测到太阳X射线流量猛增,随后观测到大量的太阳高能质子注入到同步轨道,发生磁暴,在地面已经监测到磁暴,造成局部电离层通信中断。据悉10月28日晚,日本儿玉通讯卫星信号中断;29日,我国一些城市的电波通讯受到严重干扰,如北京和拉萨等城市高频无线电信号几乎被吸收殆尽,远程无线收音受到影响。所以有关专家提醒通信用户要时常密切关注太阳活动的动态,采取必要的预防措施,才可以降低通信干扰带来的损失。

2.2 太阳风暴不会直接影响健康 太阳风暴对人类健康没有影响,这得益于地球大气层和地球磁场对我们的保护太阳每天通过电磁辐射和太阳风向宇宙空间发出巨大的能量。在太阳风暴发生时,辐射从无线电波到γ射线,几乎所有波段都有大增强,在X射线波段,称为太阳X射线暴。无线电波对人体没有影响,红外和可见波段仅会使人感到热,对人体有伤害的是紫外线、X射线等高能辐射。X射线等高能辐射完全被大气层所吸收,不会到达地面。太阳紫外线大部分被地球大气中的臭氧所吸收,只有少部分的近紫外线到达地面,对人体有一定伤害。但是通常太阳爆发的持续时间仅为几分钟至几十分钟,而且发生几率极低,因此太阳风暴对人体的影响几乎可以忽略。当太阳活动剧烈时,会爆发强烈的X射线耀斑并抛射出大量带电粒子。

太阳耀斑的另一个“产品”是带电粒子流。但是由于地球磁场作用,带电粒子通常在5至10个地球半径外的距离就被拦截,只有个别能量极高的粒子能够到达地面。这些射线以及带电粒子很快就能到达地球并对地球空间环境造成影响。正是由于地球大气层和地球磁场的保护,所以这些射线和带电粒子对地球上的居民的影响比较小。

而在太空中,如果这些射线和带电粒子与航天器相遇,会对航天器的安全以及航天员的健康造成严重影响[3]。正因为这样,飞船的设计以及航天员航天服的设计都必须事先考虑这些太空杀手的威胁。

3 结束语

X射线暴对地球通讯的干扰是强烈的,但对人类健康的影响是微乎其微的。探测研究X射线暴使科学家首次获得了黑洞撕裂恒星的证据,在天文学史上具有重要意义。由此可知X射线暴和我们人类的关系是非常密切的。我们可以利用X射线暴的特性去探索宇宙,了解宇宙中不为我们所知的奥秘,揭示它对我们地球的影响。