A modern asztrofizika és a kozmológia iránti érdeklődés a jelenségek egy speciális osztálya, az úgynevezett gammasugár-kitörések. A tudomány több évtizede, és különösen az utóbbi években aktívan gyűjti a megfigyelési adatokat erről a nagyszabású kozmikus jelenségről. Természete még nem teljesen tisztázott, de vannak kellően alátámasztott elméleti modellek, amelyek azt állítják, hogy megmagyarázzák.
A jelenség fogalma
A gammasugárzás az elektromágneses spektrum legkeményebb tartománya, amelyet körülbelül 6∙1019 Hz-es nagyfrekvenciás fotonok alkotnak. A gamma-sugarak hullámhossza összemérhető egy atom méretével, és több nagyságrenddel kisebb is lehet.
A gamma-kitörés a kozmikus gammasugárzás rövid és rendkívül fényes kitörése. Ennek időtartama több tíz milliszekundumtól több ezer másodpercig terjedhet; leggyakrabban regisztráltkörülbelül egy másodpercig villog. A kitörések fényessége jelentős lehet, több százszor nagyobb, mint az égbolt teljes fényessége a lágy gamma tartományban. A jellemző energiák sugárzási kvantumonként több tíztől több ezer kiloelektronvoltig terjednek.
A kitörések forrásai egyenletesen oszlanak el az égi szférában. Bebizonyosodott, hogy forrásaik rendkívül távol, több milliárd fényév nagyságrendű kozmológiai távolságban vannak. A kitörések másik jellemzője a változatos és összetett fejlődési profiljuk, más néven fénygörbe. Ezt a jelenséget szinte minden nap regisztrálják.
Tanulmányi előzmények
A felfedezésre 1969-ben került sor az amerikai katonai Vela műholdak információinak feldolgozása közben. Kiderült, hogy 1967-ben a műholdak két rövid gamma-impulzust rögzítettek, amelyeket a csapat tagjai semmivel sem tudtak azonosítani. Az évek során az ilyen jellegű rendezvények száma nőtt. 1973-ban Vela adatait feloldották és közzétették, és megkezdődött a jelenség tudományos kutatása.
Az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején a Szovjetunióban egy sor KONUS-kísérlet megállapította a rövid, legfeljebb 2 másodperces kitörések létezését, és azt is bebizonyította, hogy a gammasugárzás kitörései véletlenszerűen oszlanak el.
1997-ben fedezték fel az "utófény" jelenségét – a robbanás lassú lecsengését hosszabb hullámhosszokon. Ezt követően a tudósoknak először sikerült azonosítaniuk az eseményt egy optikai tárggyal - egy nagyon távoli vöröseltolódásos galaxissal.z=0, 7. Ez lehetővé tette a jelenség kozmológiai természetének megerősítését.
2004-ben indult el a Swift orbitális gamma-obszervatórium, melynek segítségével lehetővé vált a gamma-tartományban bekövetkező események gyors azonosítása röntgen- és optikai sugárforrásokkal. Jelenleg több további eszköz is kering a pályán, köztük a Gamma-ray Space Telescope. Fermi.
Osztályozás
Jelenleg a megfigyelt jellemzők alapján a gamma-kitörések két típusát különböztetjük meg:
- Hosszú, 2 másodperces vagy hosszabb időtartam jellemzi. Az ilyen járványok körülbelül 70%-a. Átlagos időtartamuk 20-30 másodperc, a GRB 130427A fáklya maximális rögzített időtartama pedig több mint 2 óra. Van egy álláspont, amely szerint az ilyen hosszú eseményeket (most három van belőlük) az ultrahosszú sorozatok speciális típusaként kell megkülönböztetni.
- Rövid. Szűk időkeretben fejlődnek ki és halványulnak el – kevesebb mint 2 másodperc alatt, de átlagosan körülbelül 0,3 másodpercig tartanak. Az eddigi rekorder a vaku, amely mindössze 11 ezredmásodpercig tartott.
Ezután megvizsgáljuk a két fő típus közül a GRB-k legvalószínűbb okait.
Hipernova visszhangzik
A legtöbb asztrofizikus szerint a hosszú kitörések rendkívül nagy tömegű csillagok összeomlásának az eredménye. Létezik egy elméleti modell, amely egy 30 naptömegnél nagyobb tömegű, gyorsan forgó csillagot ír le, amely élete végén fekete lyukat eredményez. Az akkréciós lemezegy ilyen objektum, egy collapsar, a fekete lyukba gyorsan eső csillagburok anyaga miatt keletkezik. A fekete lyuk néhány másodperc alatt elnyeli.
Ennek eredményeként erőteljes poláris ultrarelativisztikus gázsugarak képződnek - fúvókák. A fúvókákban az anyag kiáramlási sebessége közel áll a fénysebességhez, a hőmérséklet és a mágneses mezők ezen a területen óriásiak. Egy ilyen sugár képes gamma-sugárzást generálni. A jelenséget hipernóvának nevezték, a „szupernóva” kifejezés analógiájára.
A gamma-sugárzás hosszú kitörései közül sok megbízhatóan azonosítható távoli galaxisokban szokatlan spektrumú szupernóvákkal. A rádió hatótávolságában végzett megfigyelésük ultrarelativisztikus sugarak lehetséges létezését jelezte.
Neutroncsillagok ütközései
A modell szerint rövid kitörések következnek be, amikor nagy tömegű neutroncsillagok vagy egy neutroncsillag-fekete lyuk pár egyesül. Egy ilyen esemény különleges nevet kapott - "kilon", mivel az ebben a folyamatban kibocsátott energia három nagyságrenddel meghaladhatja az új csillagok energiafelszabadulását.
Először egy pár szupermasszív komponens alkot egy bináris rendszert, amely gravitációs hullámokat bocsát ki. Emiatt a rendszer energiát veszít, és alkatrészei spirális pályákon gyorsan egymásra esnek. Összeolvadásuk egy gyorsan forgó, speciális konfigurációjú erős mágneses térrel rendelkező objektumot hoz létre, aminek köszönhetően ismét ultrarelativista sugarak jönnek létre.
A szimuláció azt mutatja, hogy az eredmény egy fekete lyuk, amelyben egy akkréciós plazma toroid 0,3 másodperc alatt esik a fekete lyukra. Az akkréció által generált ultrarelativisztikus sugarak létezése ugyanennyi ideig tart. A megfigyelési adatok általában összhangban vannak ezzel a modellel.
2017 augusztusában a LIGO és a Virgo gravitációs hullámdetektorok neutroncsillagok egyesülését észlelték egy 130 millió fényévnyire lévő galaxisban. Kiderült, hogy a kilonova numerikus paraméterei nem teljesen azonosak a szimuláció által előre jelzettekkel. De a gravitációs hullám eseményt egy rövid kitörés kísérte a gammasugárzás tartományában, valamint a röntgensugárzás infravörös hullámhosszakra gyakorolt hatása.
Furcsa villanás
2006. június 14-én a Swift Gamma Obszervatórium szokatlan eseményt észlelt egy 1,6 milliárd fényévnyire lévő, nem túl nagy tömegű galaxisban. Jellemzői nem feleltek meg sem a hosszú, sem a rövid villanások paramétereinek. A GRB 060614 gammasugár-kitörésnek két impulzusa volt: először egy 5 másodpercnél rövidebb kemény impulzus, majd egy 100 másodperces lágyabb gamma-sugarak "farka". A galaxisban szupernóva jelei nem észlelhetők.
Nem is olyan régen már megfigyeltek hasonló eseményeket, de körülbelül 8-szor gyengébbek voltak. Tehát ez a hibrid hullám még nem fér bele az elméleti modell keretébe.
Több hipotézis is született a GRB 060614 rendellenes gammasugár-kitörés eredetével kapcsolatban. Ban ben-Először is, feltételezhetjük, hogy valóban hosszú, és a furcsa jellemzők bizonyos körülményeknek köszönhetők. Másodszor, a villanás rövid volt, és az esemény "farka" valamilyen oknál fogva nagy hosszúságot szerzett. Harmadszor, feltételezhető, hogy az asztrofizikusok új típusú kitörésekkel találkoztak.
Van egy teljesen egzotikus hipotézis is: a GRB 060614 példáján a tudósok találkoztak az úgynevezett "fehér lyukkal". Ez a téridő hipotetikus régiója, amelynek eseményhorizontja van, de a normál fekete lyukkal ellentétes időtengely mentén mozog. Elvileg az általános relativitáselmélet egyenletei megjósolják a fehér lyukak létezését, de azonosításuknak nincsenek előfeltételei, és nincsenek elméleti elképzelések az ilyen objektumok kialakulásának mechanizmusairól. Valószínűleg el kell hagyni a romantikus hipotézist, és a modellek újraszámítására kell összpontosítani.
Lehetséges veszély
A gamma-kitörések az Univerzumban mindenütt jelen vannak, és elég gyakran előfordulnak. Felmerül egy természetes kérdés: jelentenek-e veszélyt a Földre?
Elméletileg kiszámította a bioszférára gyakorolt következményeket, amelyek intenzív gamma-sugárzást okozhatnak. Tehát 1052 erg energiafelszabadulás mellett (ami 1039 MJ-nak vagy körülbelül 3,3∙1038-nak felel meg kWh) és a távolság 10 fényév, a kitörés hatása katasztrofális lenne. Kiszámították, hogy a Föld felszínének minden négyzetcentiméterén a féltekén az a szerencsétlenség, hogy gamma-sugárzás érné.áramlás, 1013 erg, vagy 1 MJ, vagyis 0,3 kWh energia szabadul fel. A másik féltekével sem lesz baj - ott minden élőlény elpusztul, de kicsit később, másodlagos hatások miatt.
Azonban nem valószínű, hogy egy ilyen rémálom fenyeget bennünket: egyszerűen nincs olyan csillag a Nap közelében, amely ilyen szörnyű energiafelszabadítást biztosítana. A fekete lyukká vagy neutroncsillaggá válás sorsa a hozzánk közel álló csillagokat sem fenyegeti.
Természetesen a gamma-kitörés komoly veszélyt jelentene a bioszférára és sokkal nagyobb távolságból, azonban figyelembe kell venni, hogy sugárzása nem izotróp módon, hanem meglehetősen szűk sugárban terjed., és annak a valószínűsége, hogy a Földről beleesik, sokkal kisebb, mint általában nem veszi észre.
Tanulási perspektívák
A kozmikus gamma-kitörések közel fél évszázada az egyik legnagyobb csillagászati rejtély. A megfigyelési eszközök (beleértve az űreszközöket is), az adatfeldolgozás és a modellezés rohamos fejlődésének köszönhetően a velük kapcsolatos ismeretek szintje jóval fejlettebb.
Például nem is olyan régen fontos lépést tettek a burst jelenség eredetének tisztázásában. A Fermi műhold adatainak elemzése során kiderült, hogy a gammasugárzást ultrarelativisztikus sugarak protonjainak és csillagközi gáz protonjainak ütközései generálják, és ennek a folyamatnak a részleteit finomították.
Állítólag a távoli események utófényét használja fel az intergalaktikus gázok eloszlásának pontosabb mérésére egészen a Z=10 vöröseltolódás által meghatározott távolságig.
UgyanakkorA kitörések természetének nagy része még mindig ismeretlen, és meg kell várnunk az új érdekes tények megjelenését és a további előrehaladást e tárgyak tanulmányozásában.
