Liela interese par mūsdienu astrofiziku un kosmoloģiju ir īpaša parādību klase, ko sauc par gamma staru uzliesmojumiem. Vairākas desmitgades un īpaši aktīvi pēdējos gados zinātne ir uzkrājusi novērojumu datus par šo liela mēroga kosmisko parādību. Tās būtība vēl nav pilnībā noskaidrota, taču ir pietiekami pamatoti teorētiskie modeļi, kas apgalvo, ka to izskaidro.
Parādības jēdziens
Gamma starojums ir cietākais elektromagnētiskā spektra apgabals, ko veido augstfrekvences fotoni no aptuveni 6∙1019 Hz. Gamma staru viļņu garumi var būt salīdzināmi ar atoma izmēru, kā arī var būt par vairākām kārtām mazāki.
Gamma staru uzliesmojums ir īss un ārkārtīgi spilgts kosmisko gamma staru uzliesmojums. Tās ilgums var būt no vairākiem desmitiem milisekundēm līdz vairākiem tūkstošiem sekunžu; visbiežāk reģistrētimirgo apmēram sekundi. Pārrāvumu spilgtums var būt ievērojams, simtiem reižu lielāks par kopējo debesu spilgtumu mīkstajā gamma diapazonā. Raksturīgās enerģijas svārstās no vairākiem desmitiem līdz tūkstošiem kiloelektronvoltu uz vienu starojuma kvantu.
Uzplaiksnījumu avoti ir vienmērīgi sadalīti pa debess sfēru. Ir pierādīts, ka to avoti atrodas ārkārtīgi tālu, kosmoloģiskajos attālumos, kas ir aptuveni miljardi gaismas gadu. Vēl viena uzliesmojumu iezīme ir to daudzveidīgais un sarežģītais attīstības profils, kas pazīstams arī kā gaismas līkne. Šīs parādības reģistrācija notiek gandrīz katru dienu.
Studiju vēsture
Atklājums notika 1969. gadā, apstrādājot informāciju no Amerikas militārajiem Vela satelītiem. Izrādījās, ka 1967. gadā satelīti fiksēja divus īsus gamma starojuma impulsus, kurus komandas dalībnieki ne ar ko nevarēja identificēt. Gadu gaitā šādu pasākumu skaits ir pieaudzis. 1973. gadā Velas dati tika deklasificēti un publicēti, un par šo fenomenu sākās zinātniski pētījumi.
70. gadu beigās un 80. gadu sākumā Padomju Savienībā virkne KONUS eksperimentu atklāja īsu, līdz 2 sekunžu ilgumu, uzliesmojumu esamību, kā arī pierādīja, ka gamma starojuma uzliesmojumi tiek sadalīti nejauši.
1997. gadā tika atklāts "pēcspīdēšanas" fenomens - lēna uzliesmojuma samazināšanās pie garākiem viļņu garumiem. Pēc tam zinātniekiem pirmo reizi izdevās identificēt notikumu ar optisku objektu - ļoti tālu sarkanās nobīdes galaktiku.z=0, 7. Tas ļāva apstiprināt parādības kosmoloģisko raksturu.
2004. gadā darbu uzsāka Swift orbitālā gamma staru observatorija, ar kuras palīdzību radās iespēja ātri noteikt gamma diapazona notikumus ar rentgena un optiskā starojuma avotiem. Šobrīd orbītā darbojas vēl vairākas ierīces, tostarp gamma staru kosmiskais teleskops. Fermi.
Klasifikācija
Šobrīd, pamatojoties uz novērotajām pazīmēm, izšķir divu veidu gamma staru uzliesmojumus:
- Ilgs, raksturīgs 2 sekundes vai ilgāks ilgums. Ir aptuveni 70% šādu uzliesmojumu. To vidējais ilgums ir 20–30 sekundes, un maksimālais reģistrētais GRB 130427A uzliesmojuma ilgums bija vairāk nekā 2 stundas. Pastāv viedoklis, saskaņā ar kuru šādi gari notikumi (tādu tagad ir trīs) ir jāizšķir kā īpašs īpaši garo sēriju veids.
- Īss. Tie attīstās un izgaist šaurā laika posmā – mazāk par 2 sekundēm, bet vidēji ilgst aptuveni 0,3 sekundes. Rekordists līdz šim ir zibspuldze, kas ilga tikai 11 milisekundes.
Tālāk mēs apskatīsim divu galveno veidu GRB visticamākos cēloņus.
Hipernova atbalsojas
Pēc lielākās daļas astrofiziķu domām, ilgi uzliesmojumi ir ārkārtīgi masīvu zvaigžņu sabrukšanas rezultāts. Ir teorētisks modelis, kas apraksta ātri rotējošu zvaigzni, kuras masa pārsniedz 30 Saules masas un kuras dzīves beigās veidojas melnais caurums. Akrecijas disksšāds objekts, kolapsars, rodas sakarā ar to, ka zvaigžņu apvalks strauji krīt uz melno caurumu. Melnais caurums to aprij dažu sekunžu laikā.
Rezultātā veidojas spēcīgas polāras ultrarelativistiskas gāzes strūklas - strūklas. Vielas aizplūšanas ātrums strūklā ir tuvs gaismas ātrumam, temperatūra un magnētiskie lauki šajā reģionā ir milzīgi. Šāda strūkla spēj radīt gamma starojuma plūsmu. Šo parādību sauca par hipernovu pēc analoģijas ar terminu "supernova".
Daudzi garie gamma staru uzliesmojumi ir diezgan droši identificēti ar supernovām ar neparastu spektru tālās galaktikās. Viņu novērojumi radio diapazonā liecināja par iespējamu ultrarelativistisku strūklu esamību.
Neitronu zvaigžņu sadursmes
Saskaņā ar modeli, saplūstot masīvām neitronu zvaigznēm vai neitronu zvaigznes-melno caurumu pārim, rodas īsi uzliesmojumi. Šāds notikums ir saņēmis īpašu nosaukumu - "kilons", jo šajā procesā izstarotā enerģija var par trim kārtām pārsniegt jaunu zvaigžņu enerģijas izdalīšanos.
Pāris supermasīvu komponentu vispirms veido bināru sistēmu, kas izstaro gravitācijas viļņus. Rezultātā sistēma zaudē enerģiju, un tās sastāvdaļas strauji krīt viens uz otru pa spirālveida trajektorijām. To saplūšana rada ātri rotējošu objektu ar spēcīgu īpašas konfigurācijas magnētisko lauku, kura dēļ atkal veidojas ultrarelativistiskas strūklas.
Simulācija parāda, ka rezultāts ir melnais caurums ar akrecionāru plazmas toroīdu, kas uz melno caurumu nokrīt 0,3 sekundēs. Akrecijas radīto ultrarelativistisko strūklu pastāvēšana ilgst tikpat ilgu laiku. Novērojumu dati kopumā atbilst šim modelim.
2017. gada augustā gravitācijas viļņu detektori LIGO un Virgo atklāja neitronu zvaigžņu saplūšanu galaktikā, kas atrodas 130 miljonu gaismas gadu attālumā. Kilnovas skaitliskie parametri izrādījās ne gluži tādi paši, kā prognozēts simulācijā. Taču gravitācijas viļņu notikumu pavadīja īss uzliesmojums gamma staru diapazonā, kā arī ietekme rentgena staros uz infrasarkano viļņu garumu.
Savādi uzplaiksnījumi
2006. gada 14. jūnijā Sviftas gamma observatorija atklāja neparastu notikumu ne pārāk masīvā galaktikā, kas atrodas 1,6 miljardu gaismas gadu attālumā. Tās raksturlielumi neatbilda gan garo, gan īso mirgošanas parametriem. Gamma staru uzliesmojumam GRB 060614 bija divi impulsi: pirmkārt, stingrs impulss, kas bija mazāks par 5 sekundēm, un pēc tam 100 sekunžu garš mīkstāku gamma staru "aste". Supernovas pazīmes galaktikā nevarēja noteikt.
Ne tik sen līdzīgi notikumi jau bija novēroti, taču tie bija apmēram 8 reizes vājāki. Tātad šis hibrīdais pārspriegums vēl neiekļaujas teorētiskā modeļa ietvaros.
Ir bijušas vairākas hipotēzes par anomālā gamma staru uzliesmojuma GRB 060614 izcelsmi. iekšā-Pirmkārt, mēs varam pieņemt, ka tas ir patiešām garš, un dīvainas iezīmes ir saistītas ar dažiem īpašiem apstākļiem. Otrkārt, zibspuldze bija īsa, un notikuma "aste" nez kāpēc ieguva lielu garumu. Treškārt, var pieņemt, ka astrofiziķi ir saskārušies ar jauna veida sprādzieniem.
Ir arī pilnīgi eksotiska hipotēze: GRB 060614 piemērā zinātnieki saskārās ar tā saukto "b alto caurumu". Šis ir hipotētisks laiktelpas reģions, kuram ir notikumu horizonts, bet kas pārvietojas pa laika asi pretī parastajam melnajam caurumam. Principā vispārējās relativitātes teorijas vienādojumi paredz b alto caurumu esamību, taču nav priekšnoteikumu to identificēšanai un nav teorētisku priekšstatu par šādu objektu veidošanās mehānismiem. Visticamāk, romantiskā hipotēze būs jāatmet un jākoncentrējas uz modeļu pārrēķinu.
Iespējamas briesmas
Gamma staru uzliesmojumi Visumā ir visuresoši un notiek diezgan bieži. Rodas dabisks jautājums: vai tie rada briesmas Zemei?
Teorētiski aprēķinātas sekas biosfērai, kas var izraisīt intensīvu gamma starojumu. Tātad ar enerģijas izdalīšanos 1052 erg (kas atbilst 1039 MJ jeb aptuveni 3,3∙1038 kWh) un 10 gaismas gadu attālumā, sprādziena ietekme būtu katastrofāla. Aprēķināts, ka uz katra Zemes virsmas kvadrātcentimetra puslodē, kuru nelaime piemeklētu gamma stariplūsma, tiks atbrīvota 1013 erg, vai 1 MJ, jeb 0,3 kWh enerģijas. Arī otrai puslodei nepatikšanas - tur viss dzīvais nomirs, bet nedaudz vēlāk, sekundāro efektu dēļ.
Tomēr maz ticams, ka šāds murgs mūs apdraudēs: Saules tuvumā vienkārši nav zvaigžņu, kas spētu nodrošināt tik zvērīgu enerģijas izdalīšanos. Liktenis kļūt par melno caurumu vai neitronu zvaigzni neapdraud arī mums tuvas zvaigznes.
Protams, gamma staru uzliesmojums radītu nopietnus draudus biosfērai un daudz lielākā attālumā, tomēr jāņem vērā, ka tā starojums neizplatās izotropiski, bet gan diezgan šaurā plūsmā., un varbūtība tajā iekrist no Zemes ir daudz mazāka nekā vispār nepamanīt.
Mācību perspektīvas
Kosmiskie gamma staru uzliesmojumi ir bijuši viens no lielākajiem astronomiskajiem noslēpumiem gandrīz pusgadsimtu. Tagad zināšanu līmenis par tiem ir daudz augstāks, jo strauji attīstās novērošanas rīki (tostarp kosmosa instrumenti), datu apstrāde un modelēšana.
Piemēram, ne tik sen tika sperts nozīmīgs solis, lai noskaidrotu sprādziena parādības izcelsmi. Analizējot Fermi satelīta datus, tika konstatēts, ka gamma starojumu rada ultrarelativistisku strūklu protonu sadursme ar starpzvaigžņu gāzes protoniem, un šī procesa detaļas tika precizētas.
Ir paredzēts izmantot attālu notikumu pēcspīdumu, lai precīzāk noteiktu starpgalaktisko gāzu sadalījumu līdz attālumiem, ko nosaka sarkanā nobīde Z=10.
Tajā pašā laikāLiela daļa uzliesmojumu rakstura joprojām nav zināma, un mums jāgaida jaunu interesantu faktu parādīšanās un turpmākais progress šo objektu izpētē.
