Un mare interes pentru astrofizica și cosmologia modernă este o clasă specială de fenomene numite explozii de raze gamma. De câteva decenii, și mai ales activ în ultimii ani, știința acumulează date observaționale cu privire la acest fenomen cosmic la scară largă. Natura sa nu a fost încă pe deplin elucidată, dar există modele teoretice suficient de fundamentate care pretind că o explică.
Conceptul fenomenului
Radiația gamma este cea mai dură regiune a spectrului electromagnetic, formată din fotoni de în altă frecvență de la aproximativ 6∙1019 Hz. Lungimile de undă ale razelor gamma pot fi comparabile cu dimensiunea unui atom și pot fi, de asemenea, cu câteva ordine de mărime mai mici.
Erupția de raze gamma este o explozie scurtă și extrem de strălucitoare de raze gamma cosmice. Durata sa poate fi de la câteva zeci de milisecunde la câteva mii de secunde; cel mai adesea înregistrateclipiri care durează aproximativ o secundă. Luminozitatea exploziilor poate fi semnificativă, de sute de ori mai mare decât luminozitatea totală a cerului în gama soft. Energiile caracteristice variază de la câteva zeci la mii de kiloelectronvolți pe cuantum de radiație.
Sursele de erupții sunt distribuite uniform pe sfera cerească. S-a dovedit că sursele lor sunt extrem de îndepărtate, la distanțe cosmologice de ordinul miliardelor de ani lumină. O altă caracteristică a exploziilor este profilul lor de dezvoltare variat și complex, altfel cunoscut sub numele de curba luminii. Înregistrarea acestui fenomen are loc aproape în fiecare zi.
Istoricul studiului
Descoperirea a avut loc în 1969 în timp ce procesau informații de la sateliții militari americani Vela. S-a dovedit că în 1967, sateliții au înregistrat două impulsuri scurte de radiații gamma, cu care membrii echipei nu le-au putut identifica cu nimic. De-a lungul anilor, numărul acestor evenimente a crescut. În 1973, datele lui Vela au fost desecretizate și publicate, iar cercetările științifice au început asupra fenomenului.
La sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980 în Uniunea Sovietică, o serie de experimente KONUS au stabilit existența unor explozii scurte de până la 2 secunde și au demonstrat, de asemenea, că exploziile de radiații gamma sunt distribuite aleatoriu.
În 1997, a fost descoperit fenomenul „aterglow” – dezintegrarea lentă a exploziei la lungimi de undă mai mari. După aceea, oamenii de știință au reușit pentru prima dată să identifice evenimentul cu un obiect optic - o galaxie deplasată spre roșu foarte îndepărtată.z=0, 7. Acest lucru a făcut posibilă confirmarea naturii cosmologice a fenomenului.
În 2004, a fost lansat observatorul de raze gamma orbitale Swift, cu ajutorul căruia a devenit posibilă identificarea rapidă a evenimentelor din gama gama cu surse de raze X și de radiații optice. În prezent, mai multe dispozitive funcționează pe orbită, inclusiv telescopul spațial cu raze gamma. Fermi.
Clasificare
În prezent, pe baza caracteristicilor observate, se disting două tipuri de explozii de raze gamma:
- Lung, caracterizat printr-o durată de 2 secunde sau mai mult. Există aproximativ 70% dintre astfel de focare. Durata medie a acestora este de 20-30 de secunde, iar durata maximă înregistrată a erupției GRB 130427A a fost mai mare de 2 ore. Există un punct de vedere conform căruia evenimente atât de lungi (acum sunt trei dintre ele) ar trebui să fie distinse ca un tip special de explozii ultra-lungi.
- Scurt. Se dezvoltă și se estompează într-un interval de timp îngust - mai puțin de 2 secunde, dar durează în medie aproximativ 0,3 secunde. Deținătorul recordului de până acum este blițul, care a durat doar 11 milisecunde.
În continuare, vom analiza cele mai probabile cauze ale GRB-urilor din cele două tipuri principale.
Ecou Hypernova
Conform majorității astrofizicienilor, exploziile lungi sunt rezultatul prăbușirii stelelor extrem de masive. Există un model teoretic care descrie o stea care se rotește rapid cu o masă de peste 30 de mase solare, care la sfârșitul vieții sale dă naștere unei găuri negre. Discul de acumulareun astfel de obiect, un colapsar, apare din cauza materiei învelișului stelar care cade rapid pe gaura neagră. Gaura neagră o înghite în câteva secunde.
Ca urmare, se formează jeturi puternice de gaz polar ultrarelativiste - jeturi. Viteza de ieșire a materiei în jeturi este apropiată de viteza luminii, temperatura, iar câmpurile magnetice din această regiune sunt enorme. Un astfel de jet este capabil să genereze un flux de radiații gamma. Fenomenul a fost numit hipernovă, prin analogie cu termenul „supernovă”.
Multe dintre exploziile lungi de raze gamma sunt identificate destul de sigur cu supernove cu un spectru neobișnuit în galaxiile îndepărtate. Observarea lor în raza radio a indicat posibila existență a jeturilor ultrarelativiste.
coliziuni cu stele neutroni
Conform modelului, exploziile scurte apar atunci când stelele neutronice masive sau o pereche stea neutronică-găură neagră se îmbină. Un astfel de eveniment a primit un nume special - „kilon”, deoarece energia emisă în acest proces poate depăși eliberarea de energie a noilor stele cu trei ordine de mărime.
O pereche de componente supermasive formează mai întâi un sistem binar care emite unde gravitaționale. Ca rezultat, sistemul pierde energie, iar componentele sale cad rapid una peste alta de-a lungul traiectoriilor spiralate. Fuziunea lor generează un obiect care se rotește rapid cu un câmp magnetic puternic de configurație specială, datorită căruia, din nou, se formează jeturi ultrarelativiste.
Simularea arată că rezultatul este o gaură neagră cu un toroid de plasmă acumulativ care cade pe gaura neagră în 0,3 secunde. Existența jeturilor ultrarelativiste generate de acreție durează aceeași perioadă de timp. Datele observaționale sunt în general în concordanță cu acest model.
În august 2017, detectoarele de unde gravitaționale LIGO și Virgo au detectat o fuziune a stelei cu neutroni într-o galaxie aflată la 130 de milioane de ani lumină distanță. Parametrii numerici ai kilonovai s-au dovedit a nu fi chiar aceiași cu ceea ce prezice simularea. Dar evenimentul undei gravitaționale a fost însoțit de o explozie scurtă în intervalul de raze gamma, precum și de efecte în raze X la lungimi de undă infraroșii.
Bliț ciudat
La 14 iunie 2006, Observatorul Swift Gamma a detectat un eveniment neobișnuit într-o galaxie nu prea masivă situată la 1,6 miliarde de ani lumină distanță. Caracteristicile sale nu corespundeau parametrilor atât ai clipurilor lungi, cât și celor scurte. Explozia de raze gamma GRB 060614 a avut două impulsuri: mai întâi, un puls dur de mai puțin de 5 secunde și apoi o „coadă” de 100 de secunde de raze gamma mai moi. Semnele unei supernove în galaxie nu au putut fi detectate.
Nu cu mult timp în urmă au fost deja observate evenimente similare, dar au fost de aproximativ 8 ori mai slabe. Deci, această creștere hibridă nu se încadrează încă în cadrul modelului teoretic.
Au existat mai multe ipoteze cu privire la originea exploziei anormale de raze gamma GRB 060614. În-În primul rând, putem presupune că este cu adevărat lung, iar caracteristicile ciudate se datorează unor circumstanțe specifice. În al doilea rând, blițul a fost scurt, iar „coada” evenimentului din anumite motive a căpătat o lungime mare. În al treilea rând, se poate presupune că astrofizicienii au întâlnit un nou tip de explozii.
Există și o ipoteză complet exotică: pe exemplul GRB 060614, oamenii de știință au întâlnit așa-numita „gaură albă”. Aceasta este o regiune ipotetică a spațiu-timp care are un orizont de evenimente, dar se mișcă de-a lungul axei timpului opus unei găuri negre normale. În principiu, ecuațiile teoriei generale a relativității prezic existența găurilor albe, dar nu există premise pentru identificarea lor și nici idei teoretice despre mecanismele de formare a unor astfel de obiecte. Cel mai probabil, ipoteza romantică va trebui să fie abandonată și să se concentreze pe recalcularea modelelor.
Potențial pericol
Erupțiile de raze gamma în Univers sunt omniprezente și apar destul de des. Apare o întrebare firească: reprezintă ele un pericol pentru Pământ?
S-au calculat teoretic consecințele pentru biosferă, care poate provoca radiații gamma intense. Deci, cu o eliberare de energie de 1052 erg (care corespunde cu 1039 MJ sau aproximativ 3,3∙1038 kWh) și o distanță de 10 ani lumină, efectul exploziei ar fi catastrofal. S-a calculat că pe fiecare centimetru pătrat al suprafeței Pământului din emisferă care ar avea ghinionul să fie lovit de razele gammadebit, 1013 erg sau 1 MJ sau 0,3 kWh de energie vor fi eliberate. Nici ceal altă emisferă nu va avea probleme - toate viețuitoarele vor muri acolo, dar puțin mai târziu, din cauza efectelor secundare.
Cu toate acestea, un astfel de coșmar este puțin probabil să ne amenințe: pur și simplu nu există stele în apropierea Soarelui care să poată furniza o eliberare de energie atât de monstruoasă. Soarta de a deveni o gaură neagră sau o stea neutronă nu amenință nici stelele din apropierea noastră.
Desigur, o explozie de raze gamma ar reprezenta o amenințare serioasă pentru biosfera și la o distanță mult mai mare, totuși, trebuie avut în vedere că radiația sa nu se propagă izotrop, ci într-un flux destul de îngust., iar probabilitatea de a cădea în el de pe Pământ este mult mai mică decât, în general, nu se observă.
Perspective de învățare
Rafale gamma cosmice au fost unul dintre cele mai mari mistere astronomice timp de aproape jumătate de secol. Acum nivelul de cunoștințe despre acestea este mult avansat datorită dezvoltării rapide a instrumentelor de observație (inclusiv a celor spațiale), a procesării datelor și a modelării.
De exemplu, nu cu mult timp în urmă a fost făcut un pas important în clarificarea originii fenomenului de explozie. La analiza datelor de la satelitul Fermi, s-a constatat că radiația gamma este generată de ciocnirile dintre protonii jeturilor ultrarelativiste cu protonii gazului interstelar, iar detaliile acestui proces au fost rafinate.
Se presupune că folosește strălucirea evenimentelor îndepărtate pentru măsurători mai precise ale distribuției gazului intergalactic până la distanțe determinate de deplasarea spre roșu Z=10.
În același timpO mare parte din natura exploziilor este încă necunoscută și ar trebui să așteptăm apariția unor noi fapte interesante și progrese suplimentare în studiul acestor obiecte.
