
更新:今天翻邮箱的时候无意间发现Peter Tuthill教授(即下文提到的那位研究WR 104的悉尼大学教授)的邮件。我回答这个问题时曾邮件咨询Tuthill教授,今天才发现教授回了邮件。
请注意教授的用词。WR 104只是一个极其微不足道的威胁(an extremely tiny threat),其重要程度甚至远远小于气候变化。这可能是因为我们有十分的把握认为WR 104并不会以伽马射线暴的形式结束生命,且现有的恒星演化模型认为WR 104并未进入超新星爆发前的最后阶段(这里说明一下,根据最新的恒星演化模型,WR 104这样的大质量恒星在超新星爆发前的数千至数万年,其光谱类型会演变为WO2型或WO3型;而WR 104目前的光谱类型为WC9,对应氦燃烧的早期或中期阶段,距离超新星爆发还有数万至数十万年)。不管怎样,既然这位一度将WR 104送上热搜的当事人持如此乐观的态度,我想各位真的可以洗洗睡了。
最近收到了一些网友私信。根据大家的问题,我对这篇回答做一些补充。
首先百度上有很多“伽马射线暴毁灭地球”的说法。那么距离多远的伽马射线暴会对地球构成威胁呢?最乐观的说法是3000光年,来自俄亥俄州立大学的一位波兰裔天文学家。美国网红天文学家Phil Plait给出的答案是8000光年。堪萨斯大学的Brian Thomas和Adrian Melott的结论比较折中,是6500光年。WR 104距离地球至少8000光年,无论在哪一种说法看来,都不会对地球构成致命威胁。柏林工业大学天文学教授Dirk Schulze-Makuch在今年2月发表的一篇文章中有这样的说法:
But other supernova candidates, such as Wolf-Rayet stars, are far more dangerous. Some of these could emit a gamma-ray burst that funnels radiation very narrowly along the star’s rotational axis. If Earth is in the shooting line, the result could be devastating. The most notorious example of this kind of star, known as WR 104, is too far away to threaten Earth...
由此看来,WR 104似乎难以对地球构成太大的威胁。
接下来是WR 104自转轴倾斜角的问题。NASA知名天文学家、研究双星系统和恒星生命周期的权威人物Michelle Thaller在2019年有这样的回答:
There's another star, called Wolf-Rayet 104. And for a while, as we were observing the star, it looked like the pole of the star was actually pointed pretty close to us. But now we have better measurements and we actually think it's not very close. Now, all of these things are not really worth worrying about.
由此看来,WR 104真的不是一个令人担忧的话题。
更新:有人提到了伽马射线暴导致的宇宙射线爆发,认为伴随伽马射线暴的高能粒子袭击地球大气层,会导致高能介子到达地表产生辐射。但IceCube中微子探测器的结果推翻了这一说法。我在Quora上与美国知名辐射学家Andrew Karam讨论了这一问题,他认为不足以产生危害地球生态的辐射。
还有这么新的问题,既然看到了,那我就来回答一下吧。
海山二(Eta Carinae)的倾斜角很大。因为根据记录,海山二曾于1843年经历过一次假超新星爆发,从哈勃太空望远镜拍摄的图片中可以看到当时从其两极喷射出的巨大物质,很明显不是正对地球方向。
WR 104的情况可能复杂一些。我也一度担心它能够毁灭地球,但在国外网站仔细搜索,并翻阅最新的学术论文后,我得出的结论是它对地球产生影响的可能性微乎其微,即使产生伽马射线暴,后果也绝不像百度所说那么严重。(你应该听过“水一百度会开,人一百度会死”的道理。)
这颗沃尔夫拉叶星是由上世纪末,悉尼大学天文学教授Peter Tuthill发现的,当时人们的第一反应是这颗恒星的一极正对地球,并没有考虑它对地球的影响。随着对伽马射线暴的研究日渐深入,天文学界意识到了一个问题:快速旋转的大质量恒星可能(并非一定,需要满足一定条件,以下会提到)可能经历极超新星爆发(Hypernova),并可能从两极爆发出伽马射线暴(Gamma ray burst,简称GRB),而如果地球正处在伽马射线的路径上,就有可能受到冲击,产生严重的后果。
2008年Peter Tuthill教授发表了一篇题为The Prototype Colliding-wind Pinwheel WR 104的论文,论文的最后用寥寥数语概括了WR 104可能对地球生物圈产生的影响:通过电脑建模分析,他认为WR 104自转轴与地球方向的夹角可能是0-16度,其中最理想的角度是12度。如果它释放出伽马射线暴,不能排除影响地球的可能性。这一论文结合2012年末日预警,以及公众对伽马射线暴的误解,便成了媒体大肆报道散播焦虑的来源。
随后戏剧性的一幕出现了。先前Tuthill教授利用位于夏威夷的凯克望远镜对WR 104双星系统运行轨迹进行了分析,得出了自转轴与视线方向夹角为大约12度的结论,而不久后在凯克望远镜观测室工作的另一位天文学家Grant Hill通过光谱分析,认为夹角至少有30度。当时就有人表示了质疑,因为WR 104双星系统运行轨迹呈现出一个完美的螺旋,这就说明地球正对着它的自转轴。而Tuthill教授不同意这一说法,他在个人主页上提到,将一个三维物体倾斜一定角度,视觉变化并不明显。我们可以做这样一个实验:将一个矿泉水瓶瓶底正对着自己,然后慢慢地向右下(或者其他方向)倾斜,你会发现即使倾斜了一定角度,瓶底图案看起来还是正对自己。由于Tuthill教授的观测结论是基于二维图像,所以他也在论文中提到,不排除有更大夹角的可能,光谱分析应该可以确定角度,只是Grant Hill的光谱结果远超他的预期。由于两种手段的互补关系,Grant Hill认为真正的夹角应该是中间的某个数值。
况且,就算夹角是12度,地球会受到影响吗?我们知道伽马射线暴并不会射向四面八方,而是在一定的角度内爆发。根据目前的研究,最大张角是20度,典型的长暴张角是12度。这个20度是总的张角,而不是自转轴与最远的光束形成的夹角。换言之,只有WR 104自转轴与视线方向形成10度以下的夹角,地球才可能受到伽马射线暴的影响。不管是Tuthill教授的观测数据还是Hill的研究结论,都表明这一可能性微乎其微。即使视线方向与其自转轴的夹角只有10.1度,理论上都能形成一个数光年的缝隙让地球得到保护。
那么如果最坏的情况发生了,地球恰好处于伽马射线暴的路径上,是不是就会像百度所说那样被瞬间烤焦呢?
并非如此。在一篇关于WR 104的媒体报道下,我意外地发现了天体物理学家Brian Thomas的留言。他的团队曾参与研究伽马射线暴对地球产生的影响。在留言中他表示,伽马射线暴爆发在距离地球6500光年的距离内才有可能产生严重影响,而WR 104最广为接受的距离估算是8000光年(14年以后的研究均提出了更远的距离,甚至超过10000光年,18年的论文使用更精确的数据,得出了至少8100-8500光年的结论)。在这样的距离当然会有影响,但不至于导致大规模物种灭绝,因此他开玩笑称涂好防晒霜即可(伽马射线暴导致一部分臭氧层被电离,造成紫外线水平上升所致)。而另一位天体物理学家Adrian Melott在一次采访中表示,6500光年内的伽马射线暴会电离一部分臭氧层,造成紫外线增加,这样的结果会导致最简单物种的灭绝、可能的气候变化和农业危机,并不像某些推送中所说的,“看到一道闪光,然后大家集体领便当”。事实上,Peter Tuthill教授在对维基百科WR 104词条的修改意见中也表示地球不会受到最坏的影响(Even so Earth [is] so far from WR 104 as to be at the extreme end of the dangerous range.参见维基百科Talk: WR 104)。根据维基百科,距离几千光年的伽马射线暴会对地球产生三方面的影响:一是部分臭氧层被破坏,期间紫外线会增加(根据Adrian Melott的实验结果,6500光年距离最多增加50%,百度出来的某些结果是五十倍,我不知道这样的结论是哪里来的);二是化学反应产生的物质会遮挡阳光,引起全球变冷(但实验数据表明最多只会遮挡2%的阳光,因此全球变冷效果不明显);三是可能会导致酸雨(也不太明显,酸雨甚至有利于某些植物生长)。当然,最主要的影响还是臭氧层破坏导致的紫外线水平上升。这是一个可逆过程,需要几年时间恢复,但采取措施至少能确保人类生存。由于地球大气层可以有效吸收高能射线,数千光年以外的伽马射线暴本身并不会造成严重后果。以下内容摘自维基百科:
Earth's atmosphere is very effective at absorbing high energy electromagnetic radiation such as x-rays and gamma rays, so these types of radiation would not reach any dangerous levels at the surface during the burst event itself. The immediate effect on life on Earth from a GRB within a few kiloparsecs would only be a short increase in ultraviolet radiation at ground level, lasting from less than a second to tens of seconds. This ultraviolet radiation could potentially reach dangerous levels depending on the exact nature and distance of the burst, but it seems unlikely to be able to cause a global catastrophe for life on Earth.(注:parsec即秒差距,是一个比光年更加常用的距离单位,一个秒差距是3.26光年,1 kiloparsec=1000 parsecs)
所以,地表被WR 104可能产生的伽马射线暴烧焦根本是无稽之谈。
还有一个一直被忽略却更值得讨论的问题:WR 104会不会产生伽马射线暴?事实上Tuthill教授认为这样的可能性微乎其微,因为目前所观测到的伽马射线暴均产生于缺少金属元素的小星系,而WR 104和地球所处于的银河系则是一个巨大的、高金属丰度的星系。Tuthill教授表示,高金属丰度下巨大的恒星风可以使沃尔夫拉叶星失去角动量,降低自转速度,从而避免伽马射线爆发。以下摘自Tuthill教授的个人主页:
There is some evidence that Wolf-Rayet stars in our own galaxy would likely be slowed down too much to make a GRB. The prime observational characteristic of a WR is its strong wind - this is really what defines the whole class of star. But this wind can gradually, over time, carry away the angular momentum of the star, slowing it down below the critical threshold and defusing the potential GRB.
The efficiency of this mechanism depends on the strength of the wind, which in turn depends on the metallicity of the star. Lots of metals give strong winds resulting in strong braking. So the argument runs that in our present-day galaxy, the metallicity is high enough to defuse most or all of the long GRBs. As we look into the distant cosmos and back in time, we see lower metallicity, and start to see GRBs going off at cosmological distances.
事实上,几年前哈勃太空望远镜的官网更是直接表示,地球居民丝毫不用担心伽马射线暴中的长暴(假如WR104产生伽马射线暴,也是属于长暴类型),因为长暴在银河系中爆发的可能性几乎为零。我还看到贴吧里有人讨论参宿四(Betelgeuse)会不会产生伽马射线暴将地球烤焦。实际上参宿四并不属于会产生伽马射线暴的恒星类型,因为根据学术界普遍认同的塌缩星机制(Collapsar Model),产生长暴的恒星需同时满足三个条件:一是质量至少为太阳的30倍,二是以极高的速度自转,三是在内力或外力作用下失去氢包层而产生Ib/c型超新星爆发。目前的参宿四不符合上述任一条件,也从没有学术论文探讨过参宿四产生伽马射线暴的可能。
综上,我们可以认为WR 104并不是一个令人担忧的天体。事实上我在百度搜索WR 104,所看到的基本都是它会毁灭地球的负面信息(大多是自媒体的胡编乱造),而谷歌和必应的搜索结果则客观很多。我不知道这样的发现说明什么,但我希望我们在面对不良甚至虚假信息时,能保持一份冷静,寻找更多渠道验证信息的真伪,而不是盲目地焦虑和恐慌。
Quora上有一篇关于伽马射线暴的文章,比较详细,大家可以参考。
