Grote belangstelling voor moderne astrofysica en kosmologie is een speciale klasse van verschijnselen die gammastraaluitbarstingen worden genoemd. Sinds enkele decennia, en vooral actief in de afgelopen jaren, heeft de wetenschap observatiegegevens verzameld over dit grootschalige kosmische fenomeen. De aard ervan is nog niet volledig opgehelderd, maar er zijn voldoende onderbouwde theoretische modellen die beweren het te verklaren.
Het concept van het fenomeen
Gammastraling is het moeilijkste gebied van het elektromagnetische spectrum, gevormd door hoogfrequente fotonen van ongeveer 6∙1019 Hz. De golflengten van gammastraling kunnen vergelijkbaar zijn met de grootte van een atoom en kunnen ook enkele ordes van grootte kleiner zijn.
Gammastraaluitbarsting is een korte en extreem heldere uitbarsting van kosmische gammastralen. De duur kan variëren van enkele tientallen milliseconden tot enkele duizenden seconden; het vaakst geregistreerdflitsen die ongeveer een seconde duren. De helderheid van bursts kan aanzienlijk zijn, honderden keren hoger dan de totale helderheid van de lucht in het zachte gammabereik. Karakteristieke energieën variëren van enkele tientallen tot duizenden kiloelektronvolts per stralingsquantum.
Bronnen van fakkels zijn gelijkmatig verdeeld over de hemelbol. Het is bewezen dat hun bronnen extreem ver weg zijn, op kosmologische afstanden in de orde van miljarden lichtjaren. Een ander kenmerk van bursts is hun gevarieerde en complexe ontwikkelingsprofiel, ook wel bekend als de lichtcurve. Registratie van dit fenomeen gebeurt bijna elke dag.
Studiegeschiedenis
De ontdekking vond plaats in 1969 tijdens het verwerken van informatie van de Amerikaanse militaire Vela-satellieten. Het bleek dat de satellieten in 1967 twee korte pulsen van gammastraling registreerden, die de teamleden nergens mee konden identificeren. In de loop der jaren is het aantal van dergelijke evenementen toegenomen. In 1973 werden de gegevens van Vela vrijgegeven en gepubliceerd, en begon wetenschappelijk onderzoek naar het fenomeen.
Aan het eind van de jaren zeventig en het begin van de jaren tachtig in de Sovjet-Unie heeft een reeks KONUS-experimenten het bestaan aangetoond van korte uitbarstingen van maximaal 2 seconden, en ook bewezen dat uitbarstingen van gammastraling willekeurig worden verspreid.
In 1997 werd het fenomeen "nagloeien" ontdekt - het langzame verval van de burst bij langere golflengten. Daarna slaagden wetenschappers er voor het eerst in om de gebeurtenis te identificeren met een optisch object - een heel ver roodverschuivingsstelsel.z=0, 7. Dit maakte het mogelijk om de kosmologische aard van het fenomeen te bevestigen.
In 2004 werd het Swift-orbitale gammastralingsobservatorium gelanceerd, met behulp waarvan het mogelijk werd om snel gamma-gebeurtenissen te identificeren met röntgen- en optische stralingsbronnen. Momenteel zijn er nog verschillende apparaten in een baan om de aarde, waaronder de Gamma-ray Space Telescope. Fermi.
Classificatie
Op basis van de waargenomen kenmerken worden momenteel twee soorten gammaflitsen onderscheiden:
- Lang, gekenmerkt door een duur van 2 seconden of meer. Er zijn ongeveer 70% van dergelijke uitbraken. Hun gemiddelde duur is 20-30 seconden en de maximale geregistreerde duur van de GRB 130427A-flare was meer dan 2 uur. Er is een standpunt volgens welke zulke lange gebeurtenissen (er zijn er nu drie) moeten worden onderscheiden als een speciaal type ultralange uitbarstingen.
- Kort. Ze ontwikkelen en vervagen in een smal tijdsbestek - minder dan 2 seconden, maar duren gemiddeld ongeveer 0,3 seconden. De recordhouder tot nu toe is de flits, die slechts 11 milliseconden duurde.
Vervolgens zullen we kijken naar de meest waarschijnlijke oorzaken van GRB's van de twee hoofdtypen.
Hypernova-echo's
Volgens de meeste astrofysici zijn lange uitbarstingen het resultaat van de ineenstorting van extreem zware sterren. Er is een theoretisch model dat een snel roterende ster beschrijft met een massa van meer dan 30 zonsmassa's, die aan het einde van zijn leven aanleiding geeft tot een zwart gat. De accretieschijfzo'n object, een collapsar, ontstaat doordat de materie van de stellaire envelop snel op het zwarte gat v alt. Het zwarte gat slokt het op in een paar seconden.
Als resultaat worden krachtige polaire ultrarelativistische gasstralen gevormd - stralen. De snelheid van de uitstroom van materie in jets ligt dicht bij de lichtsnelheid, de temperatuur en de magnetische velden in dit gebied zijn enorm. Zo'n straal kan een flux van gammastraling opwekken. Het fenomeen werd een hypernova genoemd, naar analogie met de term "supernova".
Veel van de lange uitbarstingen van gammastraling worden vrij betrouwbaar geïdentificeerd met supernova's met een ongebruikelijk spectrum in verre sterrenstelsels. Hun waarneming in het radiobereik wees op het mogelijke bestaan van ultrarelativistische jets.
Neutronensterbotsingen
Volgens het model treden korte uitbarstingen op wanneer massieve neutronensterren of een paar neutronenster-zwart gat samensmelten. Zo'n gebeurtenis heeft een speciale naam gekregen - "kilon", omdat de energie die in dit proces wordt uitgestraald, de energieafgifte van nieuwe sterren met drie ordes van grootte kan overschrijden.
Een paar superzware componenten vormt eerst een binair systeem dat zwaartekrachtgolven uitzendt. Als gevolg hiervan verliest het systeem energie en vallen de componenten snel op elkaar langs spiraalvormige banen. Hun samensmelting genereert een snel roterend object met een sterk magnetisch veld met een speciale configuratie, waardoor opnieuw ultrarelativistische jets worden gevormd.
Simulatie laat zien dat het resultaat een zwart gat is met een accretionaire plasmaring die in 0,3 seconden op het zwarte gat v alt. Het bestaan van ultrarelativistische jets die door accretie worden gegenereerd, duurt even lang. De waarnemingsgegevens komen over het algemeen overeen met dit model.
In augustus 2017 detecteerden zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO en Virgo een fusie van neutronensterren in een melkwegstelsel op 130 miljoen lichtjaar afstand. De numerieke parameters van de kilonova bleken niet helemaal hetzelfde te zijn als de simulatie voorspelt. Maar de zwaartekrachtgolf ging gepaard met een korte uitbarsting in het gammastralingsbereik, evenals effecten in de röntgenstraling tot infrarode golflengten.
Vreemde flits
Op 14 juni 2006 ontdekte de Swift Gamma Observatory een ongewone gebeurtenis in een niet al te massief sterrenstelsel op 1,6 miljard lichtjaar afstand. De kenmerken kwamen niet overeen met de parameters van zowel lange als korte flitsen. De gammaflits GRB 060614 had twee pulsen: eerst een harde puls van minder dan 5 seconden en vervolgens een 100 seconden durende "staart" van zachtere gammastralen. Tekenen van een supernova in de melkweg konden niet worden gedetecteerd.
Niet zo lang geleden werden soortgelijke gebeurtenissen al waargenomen, maar ze waren ongeveer 8 keer zwakker. Deze hybride golf past dus nog niet in het kader van het theoretische model.
Er zijn verschillende hypothesen geweest over de oorsprong van de abnormale gammaflits GRB 060614. In-Ten eerste kunnen we aannemen dat het erg lang is en dat vreemde kenmerken te wijten zijn aan een aantal specifieke omstandigheden. Ten tweede was de flits kort en kreeg de "staart" van het evenement om de een of andere reden een grote lengte. Ten derde kan worden aangenomen dat astrofysici een nieuw type uitbarstingen zijn tegengekomen.
Er is ook een volledig exotische hypothese: naar het voorbeeld van GRB 060614 kwamen wetenschappers het zogenaamde "witte gat" tegen. Dit is een hypothetisch gebied van ruimte-tijd met een waarnemingshorizon, maar beweegt langs de tijdas tegenovergesteld aan een normaal zwart gat. In principe voorspellen de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie het bestaan van witte gaten, maar er zijn geen voorwaarden voor hun identificatie en er zijn geen theoretische ideeën over de mechanismen van vorming van dergelijke objecten. Hoogstwaarschijnlijk zal de romantische hypothese moeten worden opgegeven en moet de nadruk worden gelegd op het herberekenen van modellen.
Potentieel gevaar
Gammastraaluitbarstingen in het heelal zijn alomtegenwoordig en komen vrij vaak voor. Een natuurlijke vraag rijst: vormen ze een gevaar voor de aarde?
Theoretisch berekend wat de gevolgen zijn voor de biosfeer, die intense gammastraling kan veroorzaken. Dus met een energieafgifte van 1052 erg (wat overeenkomt met 1039 MJ of ongeveer 3,3∙1038 kWh) en een afstand van 10 lichtjaar, zou het effect van de uitbarsting catastrofaal zijn. Er is berekend dat op elke vierkante centimeter van het aardoppervlak op het halfrond die de pech zou hebben getroffen te worden door gammastralingstroom, zal 1013 erg, of 1 MJ, of 0,3 kWh aan energie vrijkomen. Het andere halfrond zal ook niet in de problemen komen - alle levende wezens zullen daar sterven, maar een beetje later, als gevolg van secundaire effecten.
Het is echter onwaarschijnlijk dat zo'n nachtmerrie ons bedreigt: er zijn gewoon geen sterren in de buurt van de zon die voor zo'n monsterlijke energieafgifte kunnen zorgen. Het lot van een zwart gat of een neutronenster bedreigt ook geen sterren dicht bij ons.
Natuurlijk zou een gammastraaluitbarsting een ernstige bedreiging vormen voor de biosfeer en op een veel grotere afstand moet er echter rekening mee worden gehouden dat de straling zich niet isotroop voortplant, maar in een vrij smalle stroom, en de kans om er vanaf de aarde in te vallen is veel kleiner dan in het algemeen niet op te merken.
Leerperspectieven
Kosmische gammaflitsen zijn al bijna een halve eeuw een van de grootste astronomische mysteries. Nu is het kennisniveau over hen ver gevorderd dankzij de snelle ontwikkeling van observatiehulpmiddelen (inclusief ruimtevaartinstrumenten), gegevensverwerking en modellering.
Er is bijvoorbeeld niet zo lang geleden een belangrijke stap gezet in het ophelderen van de oorsprong van het burst-fenomeen. Bij het analyseren van gegevens van de Fermi-satelliet bleek dat gammastraling wordt gegenereerd door botsingen van protonen van ultrarelativistische jets met protonen van interstellair gas, en de details van dit proces werden verfijnd.
Het wordt verondersteld het nagloeien van verre gebeurtenissen te gebruiken voor nauwkeurigere metingen van de distributie van intergalactisch gas tot afstanden bepaald door de roodverschuiving Z=10.
TegelijkertijdVeel van de aard van bursts is nog onbekend, en we moeten wachten op de opkomst van nieuwe interessante feiten en verdere vooruitgang in de studie van deze objecten.
