Μεγάλο ενδιαφέρον για τη σύγχρονη αστροφυσική και κοσμολογία είναι μια ειδική κατηγορία φαινομένων που ονομάζονται εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Για αρκετές δεκαετίες, και ιδιαίτερα ενεργά τα τελευταία χρόνια, η επιστήμη συγκεντρώνει δεδομένα παρατήρησης σχετικά με αυτό το μεγάλης κλίμακας κοσμικό φαινόμενο. Η φύση του δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως, αλλά υπάρχουν επαρκώς τεκμηριωμένα θεωρητικά μοντέλα που ισχυρίζονται ότι το εξηγούν.
Η έννοια του φαινομένου
Η ακτινοβολία γάμμα είναι η σκληρότερη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, που σχηματίζεται από φωτόνια υψηλής συχνότητας από περίπου 6∙1019 Hz. Τα μήκη κύματος των ακτίνων γάμμα μπορεί να είναι συγκρίσιμα με το μέγεθος ενός ατόμου και μπορεί επίσης να είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μικρότερα.
Η έκρηξη ακτίνων γάμμα είναι μια σύντομη και εξαιρετικά φωτεινή έκρηξη κοσμικών ακτίνων γάμμα. Η διάρκειά του μπορεί να είναι από αρκετές δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου έως αρκετές χιλιάδες δευτερόλεπτα. πιο συχνά εγγεγραμμένοιαναβοσβήνει που διαρκεί περίπου ένα δευτερόλεπτο. Η φωτεινότητα των ριπών μπορεί να είναι σημαντική, εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τη συνολική φωτεινότητα του ουρανού στο εύρος απαλού γάμμα. Οι χαρακτηριστικές ενέργειες κυμαίνονται από αρκετές δεκάδες έως χιλιάδες kiloelectrovolt ανά κβάντο ακτινοβολίας.
Οι πηγές εκλάμψεων κατανέμονται ομοιόμορφα στην ουράνια σφαίρα. Έχει αποδειχθεί ότι οι πηγές τους είναι εξαιρετικά μακρινές, σε κοσμολογικές αποστάσεις της τάξης των δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των εκρήξεων είναι το ποικίλο και πολύπλοκο προφίλ ανάπτυξής τους, αλλιώς γνωστό ως καμπύλη φωτός. Η καταγραφή αυτού του φαινομένου συμβαίνει σχεδόν κάθε μέρα.
Ιστορικό σπουδών
Η ανακάλυψη έγινε το 1969 κατά την επεξεργασία πληροφοριών από τους αμερικανικούς στρατιωτικούς δορυφόρους Vela. Αποδείχθηκε ότι το 1967, οι δορυφόροι κατέγραψαν δύο σύντομους παλμούς ακτινοβολίας γάμμα, τους οποίους τα μέλη της ομάδας δεν μπορούσαν να αναγνωρίσουν με τίποτα. Με τα χρόνια, ο αριθμός τέτοιων εκδηλώσεων έχει αυξηθεί. Το 1973, τα δεδομένα του Βέλα αποχαρακτηρίστηκαν και δημοσιεύθηκαν και ξεκίνησε η επιστημονική έρευνα για το φαινόμενο.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980 στη Σοβιετική Ένωση, μια σειρά πειραμάτων KONUS απέδειξε την ύπαρξη σύντομων ριπών διάρκειας έως και 2 δευτερολέπτων και απέδειξε επίσης ότι οι εκρήξεις ακτινοβολίας γάμμα κατανέμονται τυχαία.
Το 1997, ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της «μετά λάμψης» - η αργή διάσπαση της έκρηξης σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Μετά από αυτό, οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να ταυτοποιήσουν το γεγονός με ένα οπτικό αντικείμενο - έναν πολύ μακρινό γαλαξία μετατόπισης προς το κόκκινο.z=0, 7. Αυτό κατέστησε δυνατή την επιβεβαίωση της κοσμολογικής φύσης του φαινομένου.
Το 2004, ξεκίνησε το παρατηρητήριο τροχιακών ακτίνων γάμμα Swift, με τη βοήθεια του οποίου κατέστη δυνατός ο γρήγορος εντοπισμός γεγονότων εύρους γάμμα με πηγές ακτίνων Χ και οπτικής ακτινοβολίας. Επί του παρόντος, πολλές ακόμη συσκευές λειτουργούν σε τροχιά, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων γάμμα. Fermi.
Ταξινόμηση
Επί του παρόντος, με βάση τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά, διακρίνονται δύο τύποι εκρήξεων ακτίνων γάμμα:
- Μεγάλο, που χαρακτηρίζεται από διάρκεια 2 δευτερολέπτων ή περισσότερο. Υπάρχουν περίπου το 70% τέτοιων εστιών. Η μέση διάρκειά τους είναι 20–30 δευτερόλεπτα και η μέγιστη καταγεγραμμένη διάρκεια της έκρηξης GRB 130427A ήταν μεγαλύτερη από 2 ώρες. Υπάρχει μια άποψη σύμφωνα με την οποία τέτοια μακροχρόνια γεγονότα (τώρα υπάρχουν τρία από αυτά) πρέπει να διακρίνονται ως ένας ειδικός τύπος υπερμακριών εκρήξεων.
- Σύντομη. Αναπτύσσονται και ξεθωριάζουν σε ένα στενό χρονικό πλαίσιο - λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα, αλλά κατά μέσο όρο διαρκούν περίπου 0,3 δευτερόλεπτα. Ο κάτοχος του ρεκόρ μέχρι στιγμής είναι το φλας, το οποίο κράτησε μόνο 11 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε τις πιο πιθανές αιτίες των GRBs των δύο κύριων τύπων.
Ηχώ υπερκαινοφανούς
Σύμφωνα με τους περισσότερους αστροφυσικούς, οι μεγάλες εκρήξεις είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης αστεριών εξαιρετικά μεγάλης μάζας. Υπάρχει ένα θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει ένα ταχέως περιστρεφόμενο αστέρι με μάζα μεγαλύτερη από 30 ηλιακές μάζες, το οποίο στο τέλος της ζωής του δημιουργεί μια μαύρη τρύπα. Ο δίσκος προσαύξησηςένα τέτοιο αντικείμενο, ένας καταρράκτης, προκύπτει λόγω της ύλης του αστρικού περιβλήματος που πέφτει γρήγορα πάνω στη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα την καταπίνει σε λίγα δευτερόλεπτα.
Σαν αποτέλεσμα, σχηματίζονται ισχυροί πολικοί υπερσχετιστικοί πίδακες αερίου - πίδακες. Η ταχύτητα της εκροής ύλης στους πίδακες είναι κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η θερμοκρασία και τα μαγνητικά πεδία σε αυτή την περιοχή είναι τεράστια. Ένας τέτοιος πίδακας είναι ικανός να παράγει μια ροή ακτινοβολίας γάμμα. Το φαινόμενο ονομάστηκε υπερκαινοφανής, κατ' αναλογία με τον όρο "supernova".
Πολλές από τις μεγάλες εκρήξεις ακτίνων γάμμα ταυτίζονται αρκετά αξιόπιστα με σουπερνόβα με ασυνήθιστο φάσμα σε μακρινούς γαλαξίες. Η παρατήρησή τους στο εύρος του ραδιοφώνου έδειξε την πιθανή ύπαρξη υπερσχετιστικών πίδακες.
Συγκρούσεις αστέρων νετρονίων
Σύμφωνα με το μοντέλο, σύντομες εκρήξεις συμβαίνουν όταν συγχωνεύονται τεράστια αστέρια νετρονίων ή ένα ζεύγος άστρων νετρονίων-μαύρης τρύπας. Ένα τέτοιο γεγονός έχει λάβει ένα ειδικό όνομα - "kilon", καθώς η ενέργεια που εκπέμπεται σε αυτή τη διαδικασία μπορεί να υπερβεί την απελευθέρωση ενέργειας νέων άστρων κατά τρεις τάξεις μεγέθους.
Ένα ζεύγος υπερμεγέθων συστατικών σχηματίζει πρώτα ένα δυαδικό σύστημα που εκπέμπει βαρυτικά κύματα. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα χάνει ενέργεια και τα συστατικά του πέφτουν γρήγορα το ένα πάνω στο άλλο κατά μήκος σπειροειδών τροχιών. Η συγχώνευσή τους δημιουργεί ένα ταχέως περιστρεφόμενο αντικείμενο με ισχυρό μαγνητικό πεδίο ειδικής διαμόρφωσης, εξαιτίας του οποίου σχηματίζονται και πάλι υπερσχετιστικοί πίδακες.
Η προσομοίωση δείχνει ότι το αποτέλεσμα είναι μια μαύρη τρύπα με ένα σπειροειδή δακτύλιο πλάσματος που πέφτει πάνω στη μαύρη τρύπα σε 0,3 δευτερόλεπτα. Η ύπαρξη υπερσχετιστικών πίδακες που δημιουργούνται από τη συσσώρευση διαρκεί το ίδιο χρονικό διάστημα. Τα δεδομένα παρατήρησης είναι γενικά σύμφωνα με αυτό το μοντέλο.
Τον Αύγουστο του 2017, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo εντόπισαν μια συγχώνευση αστεριών νετρονίων σε έναν γαλαξία 130 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Οι αριθμητικές παράμετροι του kilonova αποδείχτηκαν ότι δεν ήταν ακριβώς οι ίδιες με αυτές που προβλέπει η προσομοίωση. Αλλά το συμβάν βαρυτικών κυμάτων συνοδεύτηκε από μια σύντομη έκρηξη στο εύρος των ακτίνων γάμμα, καθώς και από επιδράσεις στα μήκη κύματος των ακτίνων Χ έως υπέρυθρων.
Παράξενη λάμψη
Στις 14 Ιουνίου 2006, το Παρατηρητήριο Swift Gamma εντόπισε ένα ασυνήθιστο γεγονός σε έναν όχι πολύ μεγάλο γαλαξία που βρίσκεται 1,6 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Τα χαρακτηριστικά του δεν αντιστοιχούσαν στις παραμέτρους τόσο των μακρών όσο και των σύντομων φλας. Η έκρηξη ακτίνων γάμμα GRB 060614 είχε δύο παλμούς: πρώτον, έναν σκληρό παλμό διάρκειας μικρότερο από 5 δευτερόλεπτα και μετά μια «ουρά» 100 δευτερολέπτων από πιο ήπιες ακτίνες γάμμα. Δεν ήταν δυνατό να εντοπιστούν σημάδια σουπερνόβα στον γαλαξία.
Όχι πολύ καιρό πριν είχαν ήδη παρατηρηθεί παρόμοια γεγονότα, αλλά ήταν περίπου 8 φορές πιο αδύναμα. Αυτό λοιπόν το υβριδικό κύμα δεν εντάσσεται ακόμη στο πλαίσιο του θεωρητικού μοντέλου.
Υπήρξαν αρκετές υποθέσεις σχετικά με την προέλευση της ανώμαλης έκρηξης ακτίνων γάμμα GRB 060614. Σε-Πρώτον, μπορούμε να υποθέσουμε ότι είναι πραγματικά μακρύ και τα περίεργα χαρακτηριστικά οφείλονται σε ορισμένες συγκεκριμένες συνθήκες. Δεύτερον, το φλας ήταν σύντομο, και η «ουρά» της εκδήλωσης για κάποιο λόγο απέκτησε μεγάλο μήκος. Τρίτον, μπορεί να υποτεθεί ότι οι αστροφυσικοί έχουν συναντήσει έναν νέο τύπο εκρήξεων.
Υπάρχει επίσης μια εντελώς εξωτική υπόθεση: στο παράδειγμα του GRB 060614, οι επιστήμονες συνάντησαν τη λεγόμενη «λευκή τρύπα». Αυτή είναι μια υποθετική περιοχή του χωροχρόνου που έχει έναν ορίζοντα γεγονότων, αλλά κινείται κατά μήκος του άξονα του χρόνου απέναντι από μια κανονική μαύρη τρύπα. Κατ 'αρχήν, οι εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας προβλέπουν την ύπαρξη λευκών οπών, αλλά δεν υπάρχουν προϋποθέσεις για την αναγνώρισή τους και δεν υπάρχουν θεωρητικές ιδέες για τους μηχανισμούς σχηματισμού τέτοιων αντικειμένων. Πιθανότατα, η ρομαντική υπόθεση θα πρέπει να εγκαταλειφθεί και να επικεντρωθεί στον εκ νέου υπολογισμό των μοντέλων.
Πιθανός κίνδυνος
Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα στο Σύμπαν είναι πανταχού παρούσες και συμβαίνουν αρκετά συχνά. Ένα φυσικό ερώτημα προκύπτει: αποτελούν κίνδυνο για τη Γη;
Υπολογίστηκαν θεωρητικά οι συνέπειες για τη βιόσφαιρα, η οποία μπορεί να προκαλέσει έντονη ακτινοβολία γάμμα. Έτσι, με απελευθέρωση ενέργειας 1052 erg (που αντιστοιχεί σε 1039 MJ ή περίπου 3,3∙1038 kWh) και σε απόσταση 10 ετών φωτός, το αποτέλεσμα της έκρηξης θα ήταν καταστροφικό. Έχει υπολογιστεί ότι σε κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της Γης στο ημισφαίριο θα είχε την ατυχία να χτυπηθεί από ακτίνες γάμμαροή, θα απελευθερωθεί 1013 erg ή 1 MJ ή 0,3 kWh ενέργειας. Ούτε το άλλο ημισφαίριο θα έχει πρόβλημα - όλα τα ζωντανά πράγματα θα πεθάνουν εκεί, αλλά λίγο αργότερα, λόγω δευτερογενών επιπτώσεων.
Ωστόσο, ένας τέτοιος εφιάλτης είναι απίθανο να μας απειλήσει: απλά δεν υπάρχουν αστέρια κοντά στον Ήλιο που να μπορούν να παρέχουν μια τόσο τερατώδη απελευθέρωση ενέργειας. Η μοίρα του να γίνουμε μαύρη τρύπα ή αστέρι νετρονίων δεν απειλεί ούτε τα κοντινά μας αστέρια.
Φυσικά, μια έκρηξη ακτίνων γάμμα θα αποτελούσε σοβαρή απειλή για τη βιόσφαιρα και σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση, ωστόσο, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η ακτινοβολία της δεν διαδίδεται ισότροπα, αλλά σε ένα μάλλον στενό ρεύμα, και η πιθανότητα να πέσετε σε αυτό από τη Γη είναι πολύ μικρότερη από ό,τι γενικά δεν παρατηρείτε.
Μαθησιακές Προοπτικές
Οι εκρήξεις κοσμικών ακτίνων γάμμα είναι ένα από τα μεγαλύτερα αστρονομικά μυστήρια για σχεδόν μισό αιώνα. Τώρα το επίπεδο γνώσης σχετικά με αυτά είναι πολύ προχωρημένο λόγω της ταχείας ανάπτυξης των εργαλείων παρατήρησης (συμπεριλαμβανομένων των διαστημικών εργαλείων), της επεξεργασίας δεδομένων και της μοντελοποίησης.
Για παράδειγμα, πριν από λίγο καιρό έγινε ένα σημαντικό βήμα για την αποσαφήνιση της προέλευσης του φαινομένου της έκρηξης. Κατά την ανάλυση δεδομένων από τον δορυφόρο Fermi, διαπιστώθηκε ότι η ακτινοβολία γάμμα δημιουργείται από συγκρούσεις πρωτονίων υπερσχετιστικών πίδακες με πρωτόνια διαστρικού αερίου και οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας εξευγενίστηκαν.
Υποτίθεται ότι χρησιμοποιεί τη μετατόπιση μακρινών γεγονότων για πιο ακριβείς μετρήσεις της κατανομής του διαγαλαξιακού αερίου μέχρι τις αποστάσεις που καθορίζονται από την ερυθρή μετατόπιση Z=10.
ΤαυτόχροναΜεγάλο μέρος της φύσης των εκρήξεων είναι ακόμα άγνωστο, και θα πρέπει να περιμένουμε την εμφάνιση νέων ενδιαφέροντων γεγονότων και περαιτέρω πρόοδο στη μελέτη αυτών των αντικειμένων.
