Stor interesse for moderne astrofysik og kosmologi er en særlig klasse af fænomener, der kaldes gammastråleudbrud. I flere årtier, og især aktivt i de senere år, har videnskaben akkumuleret observationsdata vedrørende dette storstilede kosmiske fænomen. Dens natur er endnu ikke fuldstændig belyst, men der er tilstrækkeligt underbyggede teoretiske modeller, der hævder at forklare det.
Begrebet fænomen
Gammastråling er det hårdeste område af det elektromagnetiske spektrum, dannet af højfrekvente fotoner fra ca. 6∙1019 Hz. Bølgelængderne af gammastråler kan sammenlignes med størrelsen af et atom og kan også være flere størrelsesordener mindre.
Gammastråleudbrud er et kort og ekstremt stærkt udbrud af kosmiske gammastråler. Dens varighed kan være fra flere titusinder af millisekunder til flere tusinde sekunder; oftest registreretblinker, der varer omkring et sekund. Lysstyrken af udbrud kan være betydelig, hundredvis af gange højere end himlens samlede lysstyrke i det bløde gammaområde. Karakteristiske energier spænder fra flere titusinder til tusindvis af kiloelektronvolt pr. strålingskvante.
Kilder til blusser er jævnt fordelt over himmelsfæren. Det er blevet bevist, at deres kilder er ekstremt langt væk, i kosmologiske afstande i størrelsesordenen milliarder af lysår. Et andet træk ved bursts er deres varierede og komplekse udviklingsprofil, også kendt som lyskurven. Registrering af dette fænomen sker næsten hver dag.
Studiehistorik
Opdagelsen fandt sted i 1969 under behandling af information fra det amerikanske militærs Vela-satellitter. Det viste sig, at satellitterne i 1967 optog to korte pulser af gammastråling, som teammedlemmerne ikke kunne identificere med noget som helst. Gennem årene er antallet af sådanne arrangementer steget. I 1973 blev Velas data afklassificeret og offentliggjort, og videnskabelig forskning begyndte på fænomenet.
I slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne i Sovjetunionen etablerede en række KONUS-eksperimenter eksistensen af korte udbrud på op til 2 sekunders varighed og beviste også, at udbrud af gammastråling er tilfældigt fordelt.
I 1997 blev fænomenet "efterglød" opdaget - det langsomme henfald af udbruddet ved længere bølgelængder. Derefter lykkedes det for første gang forskerne at identificere begivenheden med et optisk objekt - en meget fjern rødforskydningsgalakse.z=0, 7. Dette gjorde det muligt at bekræfte fænomenets kosmologiske karakter.
I 2004 blev Swift orbital gammastråleobservatoriet lanceret, ved hjælp af hvilket det blev muligt hurtigt at identificere gammarækkende hændelser med røntgenstråler og optiske strålingskilder. I øjeblikket opererer flere enheder i kredsløb, inklusive Gamma-ray Space Telescope. Fermi.
Klassificering
I øjeblikket, baseret på de observerede træk, skelnes der mellem to typer gammastråleudbrud:
- Lang, karakteriseret ved en varighed på 2 sekunder eller mere. Der er omkring 70% af sådanne udbrud. Deres gennemsnitlige varighed er 20-30 sekunder, og den maksimale registrerede varighed af GRB 130427A-blus var mere end 2 timer. Der er et synspunkt, ifølge hvilket sådanne lange begivenheder (der er nu tre af dem) skal skelnes som en særlig type ultralange udbrud.
- Kort. De udvikler sig og falmer i en snæver tidsramme - mindre end 2 sekunder, men varer i gennemsnit omkring 0,3 sekunder. Rekordholderen indtil videre er blitzen, som kun varede 11 millisekunder.
Dernæst vil vi se på de mest sandsynlige årsager til GRB'er af de to hovedtyper.
Hypernova-ekko
Ifølge de fleste astrofysikere er lange udbrud resultatet af sammenbrud af ekstremt massive stjerner. Der findes en teoretisk model, der beskriver en hurtigt roterende stjerne med en masse på mere end 30 solmasser, som i slutningen af sin levetid giver anledning til et sort hul. Accretion diskenet sådant objekt, en kollapsar, opstår på grund af, at stjernehylsteret hurtigt falder ned på det sorte hul. Det sorte hul sluger det på få sekunder.
Som et resultat dannes der kraftige polære ultrarelativistiske gasstråler - jetfly. Hastigheden af udstrømningen af stof i jetfly er tæt på lysets hastighed, temperaturen og de magnetiske felter i denne region er enorme. En sådan stråle er i stand til at generere en flux af gammastråling. Fænomenet blev kaldt en hypernova, analogt med udtrykket "supernova".
Mange af de lange udbrud af gammastråler er ganske pålideligt identificeret med supernovaer med et usædvanligt spektrum i fjerne galakser. Deres observation i radioområdet indikerede den mulige eksistens af ultrarelativistiske jetfly.
Neutronstjernekollisioner
Ifølge modellen opstår korte udbrud, når massive neutronstjerner eller et neutronstjerne-sort hul-par smelter sammen. En sådan begivenhed har fået et særligt navn - "kilon", da energien, der udsendes i denne proces, kan overstige energifrigivelsen af nye stjerner med tre størrelsesordener.
Et par supermassive komponenter danner først et binært system, der udsender gravitationsbølger. Som et resultat mister systemet energi, og dets komponenter falder hurtigt på hinanden langs spiralbaner. Deres sammensmeltning genererer et hurtigt roterende objekt med et stærkt magnetisk felt af en speciel konfiguration, på grund af hvilket der igen dannes ultrarelativistiske jetfly.
Simulering viser, at resultatet er et sort hul med en akkretionær plasmatoroid, der falder ned på det sorte hul på 0,3 sekunder. Eksistensen af ultrarelativistiske jetfly genereret af tilvækst varer lige så lang tid. Observationsdataene er generelt i overensstemmelse med denne model.
I august 2017 opdagede gravitationsbølgedetektorerne LIGO og Jomfruen en neutronstjernefusion i en galakse 130 millioner lysår væk. De numeriske parametre for kilonovaen viste sig ikke at være helt de samme, som simuleringen forudsiger. Men gravitationsbølgebegivenheden blev ledsaget af et kort udbrud i gamma-stråleområdet samt effekter i røntgen til infrarøde bølgelængder.
Strange flash
Den 14. juni 2006 opdagede Swift Gamma Observatory en usædvanlig begivenhed i en ikke alt for massiv galakse, der ligger 1,6 milliarder lysår væk. Dens egenskaber svarede ikke til parametrene for både lange og korte blink. Gammastråleudbruddet GRB 060614 havde to pulser: først en hård puls på mindre end 5 sekunder og derefter en 100 sekunders "hale" af blødere gammastråler. Tegn på en supernova i galaksen kunne ikke detekteres.
For ikke så længe siden blev lignende begivenheder allerede observeret, men de var omkring 8 gange svagere. Så denne hybride bølge passer endnu ikke ind i rammen af den teoretiske model.
Der har været flere hypoteser om oprindelsen af det unormale gamma-stråleudbrud GRB 060614. I-For det første kan vi antage, at den er rigtig lang, og mærkelige funktioner skyldes nogle specifikke omstændigheder. For det andet var blitzen kort, og "halen" af begivenheden fik af en eller anden grund en stor længde. For det tredje kan det antages, at astrofysikere er stødt på en ny type udbrud.
Der er også en fuldstændig eksotisk hypotese: I eksemplet med GRB 060614 stødte videnskabsmænd på det såkaldte "hvide hul". Dette er et hypotetisk område af rum-tid, der har en begivenhedshorisont, men bevæger sig langs tidsaksen modsat et norm alt sort hul. I princippet forudsiger ligningerne i den generelle relativitetsteori eksistensen af hvide huller, men der er ingen forudsætninger for deres identifikation og ingen teoretiske ideer om mekanismerne for dannelse af sådanne objekter. Mest sandsynligt bliver den romantiske hypotese nødt til at opgives og fokusere på genberegning af modeller.
Potentiel fare
Gammastråleudbrud i universet er allestedsnærværende og forekommer ret ofte. Et naturligt spørgsmål opstår: udgør de en fare for Jorden?
Teoretisk beregnet konsekvenserne for biosfæren, som kan forårsage intens gammastråling. Så med en energifrigivelse på 1052 erg (hvilket svarer til 1039 MJ eller omkring 3,3∙1038 kWh) og en afstand på 10 lysår, ville effekten af udbruddet være katastrofal. Det er blevet beregnet, at det på hver kvadratcentimeter af jordens overflade på halvkuglen ville have den uheld at blive ramt af gammastrålerflow, 1013 erg, eller 1 MJ, eller 0,3 kWh energi frigives. Den anden halvkugle vil heller ikke være i problemer - alle levende ting vil dø der, men lidt senere på grund af sekundære effekter.
Det er dog usandsynligt, at sådan et mareridt vil true os: Der er simpelthen ingen stjerner i nærheden af Solen, der kan give en så monstrøs energifrigivelse. Skæbnen med at blive et sort hul eller en neutronstjerne truer heller ikke stjerner tæt på os.
Selvfølgelig ville et gammastråleudbrud udgøre en alvorlig trussel mod biosfæren og på en meget større afstand, men man skal huske på, at dens stråling ikke udbreder sig isotropisk, men i en ret snæver strøm, og sandsynligheden for at falde ned i den fra Jorden er meget mindre end i almindelighed ikke bemærke.
Læringsperspektiver
Kosmiske gammastråleudbrud har været et af de største astronomiske mysterier i næsten et halvt århundrede. Nu er vidensniveauet om dem langt fremme på grund af den hurtige udvikling af observationsværktøjer (inklusive rum, databehandling og modellering.
For eksempel blev der for ikke så længe siden taget et vigtigt skridt i at afklare oprindelsen af burst-fænomenet. Ved analyse af data fra Fermi-satellitten blev det fundet, at gammastråling genereres ved kollisioner af protoner fra ultrarelativistiske jetfly med protoner af interstellar gas, og detaljerne i denne proces blev forfinet.
Det formodes at bruge eftergløden fra fjerne begivenheder til mere nøjagtige målinger af fordelingen af intergalaktisk gas op til afstande bestemt af rødforskydningen Z=10.
På samme tidMeget af udbruds natur er stadig ukendt, og vi bør vente på fremkomsten af nye interessante fakta og yderligere fremskridt i studiet af disse objekter.
