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向太阳发射一束超强的伽马射线,太阳有可能直接超新星爆发吗?

《三体》中罗辑广播了50光年外编号为187J3X1恒星的坐标,结果在50多年后观测到了这颗恒星被一颗光粒所毁灭,这个不知道从哪里钻出来的光粒以光速击中187J3X1恒星,光速粒子那强大无比的动能直接导致了187J3X1恒星的毁灭!想必大家印象颇深,而《三体》中层出不穷的武器光粒留给了大家广阔的想象空间!

我们无法制造出光速飞行,但有静止质量的粒子,即使质量再小,光速飞行也会让它的动能无穷大!这狭义相对论从原理上就直接将其封死,但伽玛射线则没有,这种携带了强大能量的伽玛射线能让一颗恒星直接超新星爆发吗?或者说直接摧毁恒星?我们简单来做个讨论。

什么是伽玛射线?

伽玛射线的本质还是电磁波,只是它的频率极高,对应的波长在0.1纳米以下,一般我们的可见光波长在400-700纳米之间!我们知道E=hv,v是频率,h是普朗克常数,因此频率极高的伽玛射线能量是极大的!我们将伽玛射线称为电离辐射,因为它可以将核外电子轰飞,原子核成为离子。这种效应对人体破坏极强,因为它直接可以将组成人体组织的原子电离,形成自由基,或者能量超过化学键时期断裂,甚至被电离成活性极强的碎片离子。

这些物质非常不稳定,化学活性很高,容易和周围的分子结合,破坏DNA,而且人体本身没有修复机制可以对这种破坏修复,对健康造成严重影响。

  • 伽玛射线研究曾经使赵忠尧走到了诺奖边缘

上世纪三十年代赵忠尧接受导师密里根教授的工作,观测硬伽玛射线轰击物质时的电子康普顿散射影响,计算其吸收系数验证克莱因—仁科公式,赵忠尧发现硬伽马射线通过轻元素时的散射是符合克莱因—仁科公式的,但硬伽马射线通过重元素,比如铅时,所得的吸收系数比公式计算的结果大了约40%。以此为契机,赵忠尧发现了正电子的蛛丝马迹,但可惜他验证的实验被其他科学家引用时却方法或者设备使用错误,没有被重复,而借鉴了他经验的则在云室中观测到了正电子的轨迹,而且当时引用赵忠尧论文的日期被推迟了一年,种种错误使得赵忠尧与诺奖失之交臂。尽管科学界后来肯定了赵忠尧在正电子上的发现,但荣誉却再也无法补上!

硬伽玛射线:频率更高的伽玛射线,穿透力很强,因此被称为硬伽玛射线。

伽玛射线轰击物质时会发生什么现象

当伽玛射线穿过物质时,会有几个效应产生:

  1. 光电效应

  2. 康普顿效应

  3. 电子对效应

当伽玛射线与物质原子发生以上任意作用时,原来的伽玛光子能量就会消失或者散射或者偏离原来的散射方向,通过物质后强度会减弱,这种则被称为伽玛射线的吸收,单能窄束γ射线强度的衰减遵循指数规律,也就是说衰减很快。

伽玛射线的光电效应:当一个伽玛射线光子和原子相碰撞,它可能会将自己的全部能量转移给一个壳层电子(主要是K壳层),使电子脱离原子而称为自由电子,而光子本身则整个被吸收,这种现象就称为光电效应!

康普顿效应:光子和原子中的一个电子的弹性相互作用。康普顿效应的线性吸收系数μe与Z成正比,伽玛射线的能量越大则μe 越小。

电子对效应:当光子的能量大于两个电子的静止质量(1.02MeV),在原子核库仑场的作用下,入射的光子可以完全被吸收,产生一个正负电子对。

这是伽玛射线穿过物质时的三种效应。

当超强伽玛射线击中太阳时会超新星爆发吗?

我们先不讨论超新星的机制,来看看超强伽玛射线击中太阳时的几种效应,再来分析下后果如何?

  • 超强的光电效应会导致什么结果?

会产生自由电子,理论上可能形成电流,但太阳上到处都是等离子态,也就是失去了电子的原子核和游离的自由电子,这个光电效应估计就只能呵呵了,伽玛射线似乎无处下手!

  • 康普顿效应呢?

伽玛射线的光子跟太阳物质发生作用时,将能量转移给了电子,使得光子波长变长,伽玛射线能量被吸收的一种方式,但并不是完全被吸收。

  • 电子对效应?

这应该是核康普顿效应了,极大能量的伽玛射线直接轰击原子核产生正负电子对,很快又会湮灭,两个电子湮灭为一个光子。

对太阳影响最大的应该是电子对效应,因为产生的正负电子对湮灭时会释放光子对,这对能量极高的光子频率仍然会在伽玛射线范围内,你会发现一个问题,这些能量会在正电子对和伽玛光子之间循环,但可能产生的能量会降低,最终被吸收,但也有另外一个问题会发生,即这对伽玛光子可能会朝着地球冲过来,当然康普顿散射后的伽玛射线也有可能冲向地球,似乎地球是必定会遭殃的!

  • 太阳的命运是什么?会超新星爆发吗?

  • 如果不限制伽玛射线的能量阀值,那么太阳被摧毁也是可能的,比如超强的能量也会让太阳活动出现剧烈变化,比如超级耀斑,将太阳物质轰离,也就是类似氦闪的方式提前发生,那么太阳系直接遭殃!但太阳不会发生超新星爆发,因为这是完全不同的两种机制,超新星爆发有Ia型吞噬物质超过1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限而导致爆发,另一种则是核坍缩超新星爆发,跟伽玛射线能量输入完全没啥关系。

    因此超强伽玛射线输入可能会毁了太阳,但不是以超新星爆发的模式!

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