Wielkim zainteresowaniem współczesnej astrofizyki i kosmologii jest specjalna klasa zjawisk zwanych rozbłyskami gamma. Od kilkudziesięciu lat, a szczególnie aktywnie w ostatnich latach, nauka gromadziła dane obserwacyjne dotyczące tego wielkoskalowego zjawiska kosmicznego. Jej natura nie została jeszcze w pełni wyjaśniona, ale istnieją wystarczająco uzasadnione modele teoretyczne, które twierdzą, że to wyjaśniają.
Pojęcie zjawiska
Promieniowanie gamma to najtwardszy obszar widma elektromagnetycznego, utworzony przez fotony o wysokiej częstotliwości z około 6∙1019 Hz. Długości fal promieniowania gamma mogą być porównywalne z rozmiarami atomu, a także mogą być o kilka rzędów wielkości mniejsze.
Rozbłysk gamma to krótki i niezwykle jasny rozbłysk kosmicznego promieniowania gamma. Jego czas trwania może wynosić od kilkudziesięciu milisekund do kilku tysięcy sekund; najczęściej rejestrowanymiga trwające około sekundy. Jasność błysków może być znacząca, setki razy wyższa niż całkowita jasność nieba w miękkim zakresie gamma. Energie charakterystyczne wahają się od kilkudziesięciu do tysięcy kiloelektronowoltów na kwant promieniowania.
Źródła rozbłysków są równomiernie rozmieszczone na sferze niebieskiej. Udowodniono, że ich źródła znajdują się niezwykle daleko, w kosmologicznych odległościach rzędu miliardów lat świetlnych. Inną cechą błysków jest ich zróżnicowany i złożony profil rozwoju, zwany inaczej krzywą jasności. Rejestracja tego zjawiska następuje prawie codziennie.
Historia badań
Odkrycie miało miejsce w 1969 roku podczas przetwarzania informacji z amerykańskich satelitów wojskowych Vela. Okazało się, że w 1967 roku satelity zarejestrowały dwa krótkie impulsy promieniowania gamma, z którymi członkowie zespołu nie mogli się z niczym zidentyfikować. Z biegiem lat liczba takich wydarzeń wzrosła. W 1973 roku dane Vela zostały odtajnione i opublikowane, a badania naukowe nad tym zjawiskiem rozpoczęły się.
Pod koniec lat 70. i na początku 80. w Związku Radzieckim seria eksperymentów KONUS wykazała istnienie krótkich błysków trwających do 2 sekund, a także wykazała, że błyski promieniowania gamma są rozłożone losowo.
W 1997 roku odkryto zjawisko "poświaty" - powolny zanik rozbłysku przy dłuższych długościach fal. Następnie naukowcom po raz pierwszy udało się zidentyfikować zdarzenie za pomocą obiektu optycznego - bardzo odległej galaktyki z przesunięciem ku czerwieni.z=0, 7. Pozwoliło to na potwierdzenie kosmologicznego charakteru zjawiska.
W 2004 r. uruchomiono orbitalne obserwatorium promieniowania gamma Swift, za pomocą którego stało się możliwe szybkie identyfikowanie zdarzeń w zakresie gamma za pomocą źródeł promieniowania rentgenowskiego i optycznego. Obecnie na orbicie pracuje kilka innych urządzeń, w tym Kosmiczny Teleskop Gamma. Fermi.
Klasyfikacja
Obecnie, na podstawie obserwowanych cech, rozróżnia się dwa rodzaje rozbłysków gamma:
- Długi, charakteryzujący się czasem trwania wynoszącym 2 sekundy lub dłużej. Takich epidemii jest około 70%. Ich średni czas trwania wynosi 20–30 sekund, a maksymalny zarejestrowany czas trwania rozbłysku GRB 130427A wyniósł ponad 2 godziny. Istnieje punkt widzenia, zgodnie z którym tak długie zdarzenia (obecnie są trzy z nich) należy wyróżnić jako szczególny rodzaj ultradługich wybuchów.
- Krótki. Rozwijają się i zanikają w wąskim przedziale czasowym - mniej niż 2 sekundy, ale średnio trwają około 0,3 sekundy. Do tej pory rekordzistą jest flash, który trwał zaledwie 11 milisekund.
Następnie przyjrzymy się najbardziej prawdopodobnym przyczynom GRB dwóch głównych typów.
Echa hipernowej
Według większości astrofizyków długie rozbłyski są wynikiem zapadania się niezwykle masywnych gwiazd. Istnieje model teoretyczny opisujący szybko obracającą się gwiazdę o masie ponad 30 mas Słońca, z której pod koniec swojego życia powstaje czarna dziura. Dysk akrecyjnytaki obiekt, kolapsar, powstaje w wyniku gwałtownego opadania materii gwiezdnej powłoki na czarną dziurę. Czarna dziura połyka go w kilka sekund.
W rezultacie powstają silne, ultrarelatywistyczne biegunowe dżety gazu - dżety. Prędkość wypływu materii w dżetach jest zbliżona do prędkości światła, temperatura, a pola magnetyczne w tym rejonie są ogromne. Taki strumień jest w stanie generować strumień promieniowania gamma. Zjawisko to nazwano hipernową, przez analogię do terminu „supernowa”.
Wiele długich rozbłysków gamma jest dość wiarygodnie identyfikowanych z supernowymi o niezwykłym widmie w odległych galaktykach. Ich obserwacje w zakresie radiowym wskazywały na możliwość istnienia ultrarelatywistycznych dżetów.
Zderzenia gwiazd neutronowych
Według modelu, krótkie wybuchy występują, gdy łączą się masywne gwiazdy neutronowe lub para gwiazda neutronowa-czarna dziura. Takie zdarzenie otrzymało specjalną nazwę - "kilon", ponieważ energia wyemitowana w tym procesie może przekroczyć energię uwalnianą przez nowe gwiazdy o trzy rzędy wielkości.
Para supermasywnych składników najpierw tworzy układ podwójny emitujący fale grawitacyjne. W efekcie system traci energię, a jego elementy szybko opadają na siebie po spiralnych trajektoriach. Ich połączenie generuje szybko obracający się obiekt z silnym polem magnetycznym o specjalnej konfiguracji, dzięki czemu ponownie powstają ultrarelatywistyczne dżety.
Symulacja pokazuje, że wynikiem jest czarna dziura z akrecyjnym toroidem plazmowym spadającym na czarną dziurę w ciągu 0,3 sekundy. Istnienie ultrarelatywistycznych dżetów generowanych przez akrecję trwa tyle samo czasu. Dane obserwacyjne są generalnie zgodne z tym modelem.
W sierpniu 2017 detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo wykryły połączenie gwiazd neutronowych w galaktyce oddalonej o 130 milionów lat świetlnych. Parametry liczbowe kilonowej okazały się nie do końca takie, jak przewiduje symulacja. Jednak zdarzeniu fali grawitacyjnej towarzyszył krótki wybuch w zakresie promieniowania gamma, a także efekty w zakresie od promieniowania rentgenowskiego do fal podczerwonych.
Dziwny błysk
14 czerwca 2006 r. Obserwatorium Swift Gamma wykryło niezwykłe zdarzenie w niezbyt masywnej galaktyce znajdującej się 1,6 miliarda lat świetlnych od nas. Jego charakterystyka nie odpowiadała parametrom zarówno długich, jak i krótkich błysków. Błysk gamma GRB 060614 miał dwa impulsy: pierwszy, twardy impuls o długości poniżej 5 sekund, a następnie 100-sekundowy „ogon” bardziej miękkich promieni gamma. Nie można było wykryć oznak supernowej w galaktyce.
Nie tak dawno temu zaobserwowano już podobne zdarzenia, ale były one około 8 razy słabsze. Zatem ten wzrost hybrydowy nie mieści się jeszcze w ramach modelu teoretycznego.
Istnieje kilka hipotez dotyczących pochodzenia anomalnego rozbłysku gamma GRB 060614. W-Po pierwsze, możemy założyć, że jest naprawdę długi, a dziwne cechy wynikają z określonych okoliczności. Po drugie, błysk był krótki, a „ogon” zdarzenia z jakiegoś powodu nabrał dużej długości. Po trzecie, można założyć, że astrofizycy zetknęli się z nowym rodzajem rozbłysków.
Istnieje też zupełnie egzotyczna hipoteza: na przykładzie GRB 060614 naukowcy natknęli się na tzw. "białą dziurę". Jest to hipotetyczny obszar czasoprzestrzeni, który ma horyzont zdarzeń, ale porusza się wzdłuż osi czasu przeciwnej do normalnej czarnej dziury. W zasadzie równania ogólnej teorii względności przewidują istnienie białych dziur, ale nie ma przesłanek do ich identyfikacji ani teoretycznych pomysłów na temat mechanizmów powstawania takich obiektów. Najprawdopodobniej hipoteza romantyczna będzie musiała zostać porzucona i skupiona na przeliczeniu modeli.
Potencjalne zagrożenie
Błyski gamma we Wszechświecie są wszechobecne i występują dość często. Powstaje naturalne pytanie: czy stanowią zagrożenie dla Ziemi?
Teoretycznie obliczono konsekwencje dla biosfery, która może powodować intensywne promieniowanie gamma. Tak więc, przy uwolnieniu energii 1052 erg (co odpowiada 1039 MJ lub około 3,3∙1038 kWh) i odległości 10 lat świetlnych, efekt rozbłysku byłby katastrofalny. Obliczono, że na każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi na półkuli, w który miałoby nieszczęście trafić promieniowanie gammaprzepływ, 1013 erg lub 1 MJ lub 0,3 kWh energii zostanie uwolnione. Druga półkula też nie będzie miała kłopotów - wszystkie żywe istoty tam umrą, ale trochę później, z powodu efektów ubocznych.
Jednak taki koszmar raczej nam nie grozi: po prostu nie ma gwiazd w pobliżu Słońca, które mogłyby zapewnić tak potworne uwolnienie energii. Los stania się czarną dziurą lub gwiazdą neutronową również nie zagraża bliskim nam gwiazdom.
Oczywiście rozbłysk gamma stanowiłby poważne zagrożenie dla biosfery i ze znacznie większej odległości, należy jednak pamiętać, że jego promieniowanie nie rozchodzi się izotropowo, ale w dość wąskim strumieniu, a prawdopodobieństwo wpadnięcia do niego z Ziemi jest znacznie mniejsze niż w ogóle nie zauważam.
Perspektywy uczenia się
Kosmiczne rozbłyski gamma od prawie pół wieku są jedną z największych astronomicznych tajemnic. Obecnie poziom wiedzy na ich temat jest znacznie zaawansowany dzięki szybkiemu rozwojowi narzędzi obserwacyjnych (w tym kosmicznych), przetwarzania danych i modelowania.
Na przykład, nie tak dawno temu podjęto ważny krok w celu wyjaśnienia pochodzenia zjawiska wybuchu. Analizując dane z satelity Fermi, stwierdzono, że promieniowanie gamma jest generowane przez zderzenia protonów ultrarelatywistycznych dżetów z protonami gazu międzygwiazdowego, a szczegóły tego procesu zostały dopracowane.
Ma on wykorzystywać poświatę odległych wydarzeń do dokładniejszych pomiarów rozkładu gazu międzygalaktycznego na odległość określoną przez przesunięcie ku czerwieni Z=10.
W tym samym czasieZnaczna część natury wybuchów jest nadal nieznana i powinniśmy poczekać na pojawienie się nowych interesujących faktów i dalszy postęp w badaniu tych obiektów.
