Suuri kiinnostus nykyaikaista astrofysiikkaa ja kosmologiaa kohtaan on erityinen ilmiöiden luokka, jota kutsutaan gammasäteilypurkauksiksi. Tiede on useiden vuosikymmenten ajan ja erityisen aktiivisesti viime vuosina kerännyt havainnointitietoja tästä laajamittaisesta kosmisesta ilmiöstä. Sen luonnetta ei ole vielä täysin selvitetty, mutta on olemassa riittävästi perusteltuja teoreettisia malleja, jotka väittävät sen selittävän.
Ilmiön käsite
Gammasäteily on sähkömagneettisen spektrin vaikein alue, jonka muodostavat noin 6∙1019 Hz korkeataajuiset fotonit. Gammasäteiden aallonpituudet voivat olla verrattavissa atomin kokoon, ja ne voivat olla myös useita suuruusluokkia pienempiä.
Gammapurske on lyhyt ja erittäin kirkas kosmisten gammasäteiden purske. Sen kesto voi olla useista kymmenistä millisekunneista useisiin tuhansiin sekunteihin; useimmiten rekisteröitynytvälähtää noin sekunnin ajan. Purskeiden kirkkaus voi olla merkittävä, satoja kertoja suurempi kuin taivaan kokonaiskirkkaus pehmeällä gamma-alueella. Ominaiset energiat vaihtelevat useista kymmenistä tuhansiin kiloelektronivoltteihin säteilykvanttia kohden.
Soihdutuslähteet ovat jakautuneet tasaisesti taivaanpallolle. On todistettu, että niiden lähteet ovat äärimmäisen kaukana, miljardien valovuosien luokkaa olevilla kosmologisilla etäisyyksillä. Toinen purskeiden ominaisuus on niiden monipuolinen ja monimutkainen kehitysprofiili, joka tunnetaan myös nimellä valokäyrä. Tämän ilmiön rekisteröinti tapahtuu melkein joka päivä.
Opiskeluhistoria
Löytö tapahtui vuonna 1969 käsiteltäessä tietoja amerikkalaisilta armeijan Vela-satelliiteilta. Kävi ilmi, että vuonna 1967 satelliitit tallensivat kaksi lyhyttä gammasäteilypulssia, joita tiimin jäsenet eivät kyenneet tunnistamaan mihinkään. Vuosien saatossa tällaisten tapahtumien määrä on lisääntynyt. Vuonna 1973 Velan tiedot purettiin ja julkaistiin, ja ilmiöstä aloitettiin tieteellinen tutkimus.
Neuvostoliitossa 1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa sarja KONUS-kokeita osoitti lyhyiden, jopa 2 sekunnin pituisten purskeiden olemassaolon ja osoitti myös, että gammasäteilypurskeet jakautuvat satunnaisesti.
Vuonna 1997 löydettiin "jälkivalon" ilmiö - purskeen hidas vaimeneminen pitemmillä aallonpituuksilla. Sen jälkeen tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa tunnistamaan tapahtuman optisella esineellä - hyvin kaukaisella punasiirtymägalaksilla.z=0, 7. Tämä mahdollisti ilmiön kosmologisen luonteen vahvistamisen.
Vuonna 2004 lanseerattiin Swift-kiertoradalla sijaitseva gamma-observatorio, jonka avulla gamma-alueen tapahtumat pystyttiin tunnistamaan nopeasti röntgen- ja optisten säteilylähteiden avulla. Tällä hetkellä kiertoradalla toimii useita muita laitteita, mukaan lukien gamma-avaruusteleskooppi. Fermi.
Luokittelu
Tällä hetkellä havaittujen piirteiden perusteella erotetaan kahdenlaisia gammapurskeita:
- Pitkä, jolle on ominaista vähintään 2 sekunnin kesto. Tällaisia taudinpurkauksia on noin 70 prosenttia. Niiden keskimääräinen kesto on 20–30 sekuntia, ja GRB 130427A:n soihdun enimmäiskesto oli yli 2 tuntia. On olemassa näkökulma, jonka mukaan tällaiset pitkät tapahtumat (niitä on nyt kolme) tulisi erottaa erityistyypeiksi ultrapitkistä purskeista.
- Lyhyt. Ne kehittyvät ja haalistuvat lyhyessä ajassa - alle 2 sekunnissa, mutta kestävät keskimäärin noin 0,3 sekuntia. Ennätyksen h altija on toistaiseksi salama, joka kesti vain 11 millisekuntia.
Seuraavaksi tarkastelemme kahden päätyypin GRB:n todennäköisimpiä syitä.
Hypernova kaikuu
Useimpien astrofyysikkojen mukaan pitkät purkaukset ovat seurausta erittäin massiivisten tähtien romahtamisesta. On olemassa teoreettinen malli, joka kuvaa nopeasti pyörivää tähteä, jonka massa on yli 30 Auringon massaa ja joka elinkaarensa lopussa synnyttää mustan aukon. Kasvulevytällainen esine, collapsar, syntyy, koska tähtien verho putoaa nopeasti mustaan aukkoon. Musta aukko nielee sen muutamassa sekunnissa.
Tämän seurauksena muodostuu voimakkaita polaarisia ultrarelativistisiä kaasusuihkuja - suihkuja. Aineen ulosvirtausnopeus suihkuissa on lähellä valon nopeutta, lämpötila ja magneettikentät tällä alueella ovat v altavat. Tällainen suihku pystyy tuottamaan gammasäteilyn vuon. Ilmiötä kutsuttiin hypernovaksi, analogisesti termin "supernova" kanssa.
Monet pitkistä gammasäteilypurkauksista tunnistetaan melko luotettavasti supernoveihin, joilla on epätavallinen spektri kaukaisissa galakseissa. Heidän havaintonsa radioalueella osoitti ultrarelativististen suihkujen mahdollisen olemassaolon.
Neutronitähtien törmäykset
Mallin mukaan lyhyitä purskeita tapahtuu, kun massiiviset neutronitähdet tai neutronitähti-musta aukko -pari sulautuvat yhteen. Tällainen tapahtuma on saanut erityisen nimen - "kilon", koska tässä prosessissa säteilevä energia voi ylittää uusien tähtien energian vapautumisen kolmella suuruusluokalla.
Pari supermassiivista komponenttia muodostaa ensin binäärijärjestelmän, joka lähettää gravitaatioa altoja. Tämän seurauksena järjestelmä menettää energiaa ja sen komponentit putoavat nopeasti toistensa päälle spiraalimaisesti. Niiden yhdistäminen synnyttää nopeasti pyörivän kohteen, jolla on erityisen konfiguraation omaava vahva magneettikenttä, minkä ansiosta taas muodostuu ultrarelativistisiä suihkuja.
Simulaatio osoittaa, että tuloksena on musta aukko, jossa lisääntyvä plasmatoroidi putoaa mustaan aukkoon 0,3 sekunnissa. Akkretion synnyttämien ultrarelativististen suihkujen olemassaolo kestää saman ajan. Havaintotiedot ovat yleensä yhdenmukaisia tämän mallin kanssa.
Elokuussa 2017 gravitaatioaallonilmaisimet LIGO ja Virgo havaitsivat neutronitähtien sulautumisen 130 miljoonan valovuoden päässä sijaitsevassa galaksissa. Kilonovan numeeriset parametrit eivät olleet aivan samoja kuin simulaatio ennustaa. Mutta gravitaatioa altotapahtumaan liittyi lyhyt purske gammasäteen alueella sekä vaikutuksia röntgensäteilyssä infrapuna-aallonpituuksiin.
Outo salama
14. kesäkuuta 2006 Swift Gamma Observatory havaitsi epätavallisen tapahtuman ei-liian massiivisessa galaksissa, joka sijaitsee 1,6 miljardin valovuoden päässä. Sen ominaisuudet eivät vastanneet sekä pitkien että lyhyiden välähdysten parametreja. Gammasädepurskeessa GRB 060614 oli kaksi pulssia: ensin kova pulssi, jonka pituus oli alle 5 sekuntia, ja sitten 100 sekunnin "häntä" pehmeämpiä gammasäteitä. Merkkejä supernovasta galaksissa ei voitu havaita.
Ei niin kauan sitten samanlaisia tapahtumia havaittiin jo, mutta ne olivat noin 8 kertaa heikompia. Tämä hybridipiikki ei siis vielä sovi teoreettisen mallin kehykseen.
Epänormaalin gammapurskeen GRB 060614 alkuperästä on ollut useita hypoteeseja. Sisään-Ensinnäkin voimme olettaa, että se on todella pitkä, ja omituiset piirteet johtuvat tietyistä erityisolosuhteista. Toiseksi salama oli lyhyt, ja tapahtuman "häntä" jostain syystä sai suuren pituuden. Kolmanneksi voidaan olettaa, että astrofyysikot ovat kohdanneet uudentyyppisiä purskeita.
On olemassa myös täysin eksoottinen hypoteesi: GRB 060614:n esimerkissä tutkijat kohtasivat niin sanotun "valkoisen aukon". Tämä on hypoteettinen aika-avaruusalue, jolla on tapahtumahorisontti, mutta joka liikkuu normaalia mustaa aukkoa vastapäätä olevaa aika-akselia pitkin. Periaatteessa yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt ennustavat valkoisten aukkojen olemassaolon, mutta niiden tunnistamiselle ei ole edellytyksiä eikä teoreettisia ideoita tällaisten objektien muodostumismekanismeista. Todennäköisesti romanttinen hypoteesi on hylättävä ja keskityttävä mallien uudelleenlaskentaan.
Mahdollinen vaara
Gammapurkaukset universumissa ovat kaikkialla ja niitä esiintyy melko usein. Herää luonnollinen kysymys: muodostavatko ne vaaran maapallolle?
Teoreettisesti laskettu seuraukset biosfäärille, joka voi aiheuttaa voimakasta gammasäteilyä. Joten energian vapautuessa 1052 erg (joka vastaa 1039 MJ tai noin 3,3∙1038 kWh) ja 10 valovuoden etäisyydellä puhkeamisen vaikutus olisi katastrofaalinen. On laskettu, että jokaisella neliösenttimetrillä maan pinnasta pallonpuoliskolla, jolle olisi epäonnea joutua gammasäteidenvirtaus, 1013 erg tai 1 MJ tai 0,3 kWh energiaa vapautuu. Toisella pallonpuoliskolla ei myöskään ole ongelmia - siellä kuolee kaikki elävät olennot, mutta vähän myöhemmin toissijaisten vaikutusten takia.
Tällainen painajainen ei kuitenkaan todennäköisesti uhkaa meitä: Auringon lähellä ei yksinkertaisesti ole tähtiä, jotka voisivat tarjota niin hirviömäisen energian vapautumisen. Mustaksi aukoksi tai neutronitähdeksi tulemisen kohtalo ei uhkaa myöskään meitä lähellä olevia tähtiä.
Tietenkin gammapurkaus aiheuttaisi vakavan uhan biosfäärille ja paljon suuremmalla etäisyydellä, mutta on kuitenkin pidettävä mielessä, että sen säteily ei etene isotrooppisesti, vaan melko kapeassa virrassa., ja todennäköisyys pudota siihen maasta on paljon pienempi kuin yleensä huomaamatta.
Oppimisnäkymät
Kosmiset gammapurkaukset ovat olleet yksi suurimmista tähtitieteellisistä mysteereistä lähes puolen vuosisadan ajan. Nyt niiden tietämys on paljon edistynyt havainnointityökalujen (mukaan lukien avaruustyökalujen), tietojenkäsittelyn ja mallintamisen nopean kehityksen ansiosta.
Esimerkiksi ei niin kauan sitten otettiin tärkeä askel purkausilmiön alkuperän selvittämisessä. Fermi-satelliitin tietoja analysoitaessa havaittiin, että ultrarelativististen suihkujen protonien törmäykset tähtienvälisen kaasun protonien synnyttävät gammasäteilyä, ja tämän prosessin yksityiskohtia tarkennettiin.
Sen on tarkoitus käyttää kaukaisten tapahtumien jälkihohtoa galaksien välisen kaasun jakautumisen tarkempiin mittauksiin punasiirtymän määrittämiin etäisyyksiin asti Z=10.
Samaan aikaanSuuri osa purskeiden luonteesta on vielä tuntematon, ja meidän pitäisi odottaa uusien mielenkiintoisten faktojen ilmaantumista ja näiden objektien tutkimuksen edistymistä.
