Veliki interes za modernu astrofiziku i kozmologiju je posebna klasa fenomena nazvanih gama-rafali. Već nekoliko desetljeća, a posebno aktivno posljednjih godina, znanost prikuplja podatke o promatranju ovog kozmičkog fenomena velikih razmjera. Njegova priroda još nije u potpunosti razjašnjena, ali postoje dovoljno potkrijepljeni teorijski modeli koji tvrde da je objašnjavaju.
Koncept fenomena
Gama zračenje je najtvrđe područje elektromagnetskog spektra, formirano od fotona visoke frekvencije od približno 6∙1019 Hz. Valne duljine gama zraka mogu biti usporedive s veličinom atoma, a mogu biti i nekoliko redova veličine manje.
Rafal gama-zraka je kratak i iznimno svijetao prasak kozmičkih gama-zraka. Njegovo trajanje može biti od nekoliko desetaka milisekundi do nekoliko tisuća sekundi; najčešće registriranibljeskovi koji traju oko sekundu. Svjetlina rafala može biti značajna, stotine puta veća od ukupne svjetline neba u mekom gama rasponu. Karakteristične energije se kreću od nekoliko desetaka do tisuća kiloelektronvolti po kvantu zračenja.
Izvori baklji ravnomjerno su raspoređeni po nebeskoj sferi. Dokazano je da su njihovi izvori izuzetno udaljeni, na kozmološkim udaljenostima reda milijardi svjetlosnih godina. Još jedna značajka rafala je njihov raznolik i složen profil razvoja, inače poznat kao svjetlosna krivulja. Registriranje ovog fenomena događa se gotovo svaki dan.
Povijest studija
Otkriće se dogodilo 1969. tijekom obrade informacija s američkih vojnih satelita Vela. Ispostavilo se da su 1967. sateliti zabilježili dva kratka impulsa gama zračenja, koje članovi tima nisu mogli ni s čim identificirati. S godinama se broj ovakvih događaja povećavao. 1973. godine Velini podaci su skinuti tajnost i objavljeni, te su započela znanstvena istraživanja o tom fenomenu.
Krajem 1970-ih i ranih 1980-ih u Sovjetskom Savezu, niz KONUS eksperimenata utvrdio je postojanje kratkih rafala do 2 sekunde u trajanju, a također je dokazao da su rafali gama zračenja nasumično raspoređeni.
Godine 1997. otkriven je fenomen "afterglow" - sporo raspadanje praska na dužim valnim duljinama. Nakon toga, znanstvenici su prvi put uspjeli identificirati događaj s optičkim objektom - vrlo udaljenom galaksijom s crvenim pomakom.z=0, 7. To je omogućilo da se potvrdi kozmološka priroda fenomena.
Godine 2004. pokrenut je orbitalni opservatorij gama-zraka Swift, uz pomoć kojeg je postalo moguće brzo identificirati događaje gama raspona s rendgenskim i optičkim izvorima zračenja. Trenutno u orbiti radi još nekoliko uređaja, uključujući gama-svemirski teleskop. Fermi.
Klasifikacija
Trenutno, na temelju uočenih karakteristika, razlikuju se dvije vrste rafala gama zraka:
- Dugo, karakterizirano trajanjem od 2 sekunde ili više. Takvih izbijanja ima oko 70%. Njihovo prosječno trajanje je 20-30 sekundi, a maksimalno zabilježeno trajanje baklje GRB 130427A bilo je više od 2 sata. Postoji stajalište prema kojem takve duge događaje (sada ih ima tri) treba razlikovati kao posebnu vrstu ultradugih rafala.
- Kratko. Razvijaju se i blijede u uskom vremenskom okviru - manje od 2 sekunde, ali u prosjeku traju oko 0,3 sekunde. Dosadašnji rekorder je bljesak koji je trajao samo 11 milisekundi.
Sljedeće ćemo pogledati najvjerojatnije uzroke GRB-a dvije glavne vrste.
Hypernova echoes
Prema većini astrofizičara, dugi rafali rezultat su kolapsa iznimno masivnih zvijezda. Postoji teorijski model koji opisuje brzo rotirajuću zvijezdu s masom većom od 30 solarnih masa, koja na kraju svog života stvara crnu rupu. Akrecijski disktakav objekt, kolapsar, nastaje zbog materije zvjezdane ovojnice koja brzo pada na crnu rupu. Crna rupa je proguta za nekoliko sekundi.
Kao rezultat toga nastaju snažni polarni ultrarelativistički mlazovi plina - mlazovi. Brzina istjecanja tvari u mlazovima je bliska brzini svjetlosti, temperatura, a magnetska polja u ovoj regiji su ogromna. Takav mlaz je sposoban generirati tok gama zračenja. Fenomen je nazvan hipernova, po analogiji s pojmom "supernova".
Mnogi od dugih praska gama-zraka prilično su pouzdano identificirani sa supernovama s neobičnim spektrom u udaljenim galaksijama. Njihovo promatranje u radiodometu ukazalo je na moguće postojanje ultrarelativističkih mlazova.
Sudar neutronskih zvijezda
Prema modelu, kratki izboji nastaju kada se spoje masivne neutronske zvijezde ili par neutronske zvijezde i crne rupe. Takav događaj dobio je posebno ime - "kilon", budući da energija koja se emitira u ovom procesu može premašiti oslobađanje energije novih zvijezda za tri reda veličine.
Par supermasivnih komponenti prvo tvori binarni sustav koji emitira gravitacijske valove. Kao rezultat toga, sustav gubi energiju, a njegove komponente brzo padaju jedna na drugu duž spiralnih putanja. Njihovim spajanjem nastaje brzo rotirajući objekt s jakim magnetskim poljem posebne konfiguracije, zbog čega opet nastaju ultrarelativistički mlazovi.
Simulacija pokazuje da je rezultat crna rupa s akrecijskim plazma toroidom koji pada na crnu rupu za 0,3 sekunde. Isto toliko vremena traje i postojanje ultrarelativističkih mlazova nastalih akrecijom. Podaci promatranja općenito su u skladu s ovim modelom.
U kolovozu 2017. detektori gravitacijskih valova LIGO i Virgo otkrili su spajanje neutronskih zvijezda u galaksiji udaljenoj 130 milijuna svjetlosnih godina. Pokazalo se da numerički parametri kilonove nisu baš isti kao što predviđa simulacija. Ali događaj gravitacijskog vala bio je popraćen kratkim praskom u rasponu gama zraka, kao i efektima u rendgenskim i infracrvenim valnim duljinama.
Čudan bljesak
Dana 14. lipnja 2006., Swift Gamma Observatory detektirao je neobičan događaj u ne previše masivnoj galaksiji udaljenoj 1,6 milijardi svjetlosnih godina. Njegove karakteristike nisu odgovarale parametrima i dugih i kratkih bljeskova. Rafal gama zraka GRB 060614 imao je dva impulsa: prvo, tvrdi puls kraći od 5 sekundi, a zatim 100-sekundni "rep" mekših gama zraka. Znakovi supernove u galaksiji nisu se mogli otkriti.
Ne tako davno slični događaji su već opaženi, ali su bili oko 8 puta slabiji. Dakle, ovaj hibridni porast još se ne uklapa u okvir teorijskog modela.
Postojalo je nekoliko hipoteza o podrijetlu anomalnog praska gama zraka GRB 060614. U-Prvo, možemo pretpostaviti da je stvarno dugačak, a čudne su značajke posljedica nekih specifičnih okolnosti. Drugo, bljesak je bio kratak, a "rep" događaja iz nekog je razloga dobio veliku duljinu. Treće, može se pretpostaviti da su astrofizičari naišli na novu vrstu praska.
Postoji i potpuno egzotična hipoteza: na primjeru GRB 060614 znanstvenici su se susreli s takozvanom "bijelom rupom". Ovo je hipotetičko područje prostor-vremena koje ima horizont događaja, ali se kreće duž vremenske osi suprotno normalnoj crnoj rupi. U načelu, jednadžbe opće teorije relativnosti predviđaju postojanje bijelih rupa, ali ne postoje preduvjeti za njihovu identifikaciju niti teorijske ideje o mehanizmima nastanka takvih objekata. Najvjerojatnije će se romantična hipoteza morati napustiti i usredotočiti se na ponovno izračunavanje modela.
Potencijalna opasnost
Izrazi gama zraka u svemiru su sveprisutni i javljaju se prilično često. Postavlja se prirodno pitanje: predstavljaju li opasnost za Zemlju?
Teoretski izračunate posljedice za biosferu, koja može uzrokovati intenzivno gama zračenje. Dakle, s oslobađanjem energije od 1052 erg (što odgovara 1039 MJ ili oko 3,3∙1038 kWh) i udaljenosti od 10 svjetlosnih godina, učinak praska bio bi katastrofalan. Izračunato je da bi na svakom kvadratnom centimetru Zemljine površine na hemisferi imala nesreću da bude pogođena gama zrakamaprotoka, oslobodit će se 1013 erg, ili 1 MJ, ili 0,3 kWh energije. Ni druga hemisfera neće biti u nevolji - tamo će umrijeti sva živa bića, ali nešto kasnije, zbog sekundarnih učinaka.
Međutim, malo je vjerojatno da će nam takva noćna mora zaprijetiti: jednostavno nema zvijezda u blizini Sunca koje bi mogle pružiti tako monstruozno oslobađanje energije. Sudbina da postanemo crna rupa ili neutronska zvijezda ne prijeti ni nama bliskim zvijezdama.
Naravno, eksplozija gama zraka predstavljala bi ozbiljnu prijetnju biosferi i to na mnogo većoj udaljenosti, međutim, treba imati na umu da se njegovo zračenje ne širi izotropno, već u prilično uskom toku, a vjerojatnost pada u njega sa Zemlje je mnogo manja nego što se općenito ne primjećuje.
Perspektive učenja
Kozmički praski gama zraka jedan su od najvećih astronomskih misterija gotovo pola stoljeća. Sada je razina znanja o njima mnogo naprednija zbog brzog razvoja alata za promatranje (uključujući svemirske), obrade podataka i modeliranja.
Na primjer, ne tako davno napravljen je važan korak u razjašnjavanju porijekla fenomena praska. Prilikom analize podataka sa Fermi satelita, ustanovljeno je da gama zračenje nastaje sudarima protona ultrarelativističkih mlazova s protonima međuzvjezdanog plina, a detalji ovog procesa su dotjerani.
Trebalo bi koristiti naknadni sjaj udaljenih događaja za preciznija mjerenja distribucije međugalaktičkog plina do udaljenosti određenih crvenim pomakom Z=10.
IstovremenoVelik dio prirode rafala je još uvijek nepoznat i treba pričekati pojavu novih zanimljivih činjenica i daljnji napredak u proučavanju ovih objekata.
