Veliki interes za modernu astrofiziku i kosmologiju je posebna klasa fenomena zvanih rafali gama zraka. Već nekoliko decenija, a posebno aktivno poslednjih godina, nauka je gomilala opservacijske podatke o ovom kosmičkom fenomenu velikih razmera. Njegova priroda još nije u potpunosti razjašnjena, ali postoje dovoljno potkrijepljeni teorijski modeli koji tvrde da je objašnjavaju.
Koncept fenomena
Gama zračenje je najtvrđi region elektromagnetnog spektra, formiran od fotona visoke frekvencije od približno 6∙1019 Hz. Talasne dužine gama zraka mogu biti uporedive s veličinom atoma, a mogu biti i nekoliko redova veličine manje.
Rafal gama zraka je kratak i izuzetno sjajan prasak kosmičkih gama zraka. Njegovo trajanje može biti od nekoliko desetina milisekundi do nekoliko hiljada sekundi; najčešće registrovanibljeskovi koji traju oko sekundu. Svjetlina rafala može biti značajna, stotine puta veća od ukupne svjetlosti neba u mekom gama opsegu. Karakteristične energije se kreću od nekoliko desetina do hiljada kiloelektronvolti po kvantu zračenja.
Izvori baklji su ravnomjerno raspoređeni po nebeskoj sferi. Dokazano je da su njihovi izvori izuzetno udaljeni, na kosmološkim udaljenostima reda milijardi svjetlosnih godina. Još jedna karakteristika rafala je njihov raznolik i složen profil razvoja, inače poznat kao svjetlosna kriva. Registracija ovog fenomena se dešava skoro svaki dan.
Historija studija
Otkriće se dogodilo 1969. godine prilikom obrade informacija sa američkih vojnih satelita Vela. Ispostavilo se da su 1967. sateliti snimili dva kratka impulsa gama zračenja, koje članovi tima nisu mogli ni sa čim identificirati. Tokom godina, broj ovakvih događaja se povećavao. 1973. godine Velini podaci su skinuti tajnost i objavljeni, te su započela naučna istraživanja o ovom fenomenu.
Kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih u Sovjetskom Savezu, serija KONUS eksperimenata je utvrdila postojanje kratkih rafala do 2 sekunde u trajanju, a takođe je dokazala da su rafali gama zračenja nasumično raspoređeni.
Godine 1997. otkriven je fenomen "afterglow" - sporo raspadanje praska na dužim talasnim dužinama. Nakon toga, naučnici su prvi put uspjeli identificirati događaj sa optičkim objektom - vrlo udaljenom galaksijom s crvenim pomakom.z=0, 7. Ovo je omogućilo da se potvrdi kosmološka priroda fenomena.
2004. godine pokrenuta je orbitalna opservatorija gama-zraka Swift, uz pomoć koje je postalo moguće brzo identifikovati događaje gama opsega pomoću izvora rendgenskog i optičkog zračenja. Trenutno u orbiti radi još nekoliko uređaja, uključujući svemirski teleskop gama zraka. Fermi.
Klasifikacija
Trenutno, na osnovu uočenih karakteristika, razlikuju se dva tipa 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 tako duge događaje (sada ih ima tri) treba izdvojiti 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 blic, koji je trajao samo 11 milisekundi.
Dalje ćemo pogledati najvjerovatnije uzroke GRB-a dva glavna tipa.
Hypernova echoes
Prema većini astrofizičara, dugi rafali su rezultat kolapsa izuzetno 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, formiraju se moćni polarni ultrarelativistički mlazovi gasa - mlazovi. Brzina oticanja materije u mlazovima je bliska brzini svetlosti, temperatura, a magnetna polja u ovoj oblasti su ogromna. Takav mlaz je sposoban da generiše tok gama zračenja. Fenomen je nazvan hipernova, po analogiji sa terminom "supernova".
Mnogi od dugih rafala gama zraka prilično su pouzdano identificirani sa supernovima sa neobičnim spektrom u udaljenim galaksijama. Njihovo posmatranje u radio opsegu 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 je dobio poseban naziv - "kilon", budući da energija koja se emituje u ovom procesu može premašiti oslobađanje energije novih zvijezda za tri reda veličine.
Par supermasivnih komponenti prvo formira binarni sistem koji emituje gravitacione talase. Kao rezultat, sistem gubi energiju, a njegove komponente brzo padaju jedna na drugu duž spiralnih putanja. Njihovim spajanjem nastaje brzo rotirajući objekt sa jakim magnetnim poljem posebne konfiguracije, zbog čega se, opet, formiraju ultrarelativistički mlazovi.
Simulacija pokazuje da je rezultat crna rupa sa akrecionim plazma toroidom koji pada na crnu rupu za 0,3 sekunde. Postojanje ultrarelativističkih mlazova nastalih akrecijom traje isto toliko vremena. Podaci posmatranja su generalno u skladu sa ovim modelom.
U avgustu 2017. detektori gravitacionih talasa LIGO i Virgo otkrili su spajanje neutronskih zvezda u galaksiji udaljenoj 130 miliona svetlosnih godina. Pokazalo se da numerički parametri kilonove nisu sasvim isti kao što predviđa simulacija. Ali događaj gravitacionog talasa bio je praćen kratkim rafalom u opsegu gama zraka, kao i efektima u rendgenskim i infracrvenim talasnim dužinama.
Čudan bljesak
14. juna 2006. Swift Gamma opservatorij je otkrio 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 mogli biti otkriveni.
Ne tako davno slični događaji su već uočeni, ali su bili oko 8 puta slabiji. Dakle, ovaj hibridni skok se još ne uklapa u okvir teorijskog modela.
Postojalo je nekoliko hipoteza o poreklu anomalnog praska gama zraka GRB 060614. U-Prvo, možemo pretpostaviti da je zaista dugačak, a čudne karakteristike su posljedica nekih specifičnih okolnosti. Drugo, bljesak je bio kratak, a "rep" događaja iz nekog razloga je dobio veliku dužinu. Treće, može se pretpostaviti da su astrofizičari naišli na novu vrstu rafala.
Postoji i potpuno egzotična hipoteza: na primjeru GRB 060614, naučnici su naišli na takozvanu "bijelu rupu". Ovo je hipotetički region prostor-vremena koji ima horizont događaja, ali se kreće duž vremenske ose suprotno od normalne crne rupe. U principu, jednačine opće teorije relativnosti predviđaju postojanje bijelih rupa, ali ne postoje preduslovi za njihovu identifikaciju niti teorijske ideje o mehanizmima nastanka takvih objekata. Najvjerovatnije će se romantična hipoteza morati napustiti i fokusirati se na preračunavanje 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 po biosferu, koja može uzrokovati intenzivno gama zračenje. Dakle, sa oslobađanjem energije od 1052 erg (što odgovara 1039 MJ ili oko 3,3∙1038 kWh) i udaljenosti od 10 svjetlosnih godina, efekat praska bi bio katastrofalan. Izračunato je da bi na svakom kvadratnom centimetru Zemljine površine na hemisferi koja bi imala nesreću da bude pogođena gama zracimaprotoka, 1013 erg, ili 1 MJ, ili 0,3 kWh energije će se osloboditi. Ni druga hemisfera neće biti u nevolji - sva živa bića će tamo umrijeti, ali nešto kasnije, zbog sekundarnih efekata.
Međutim, malo je vjerovatno da će nam takva noćna mora zaprijetiti: jednostavno ne postoje zvijezde u blizini Sunca koje mogu 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 vjerovatnoća pada u njega sa Zemlje je mnogo manja nego što se općenito ne primjećuje.
Perspektive učenja
Kosmički gama zraci bili su jedna od najvećih astronomskih misterija skoro pola veka. Sada je nivo znanja o njima mnogo napredniji zbog brzog razvoja alata za posmatranje (uključujući svemirske), obrade podataka i modeliranja.
Na primjer, ne tako davno je napravljen važan korak u razjašnjavanju porijekla fenomena praska. Analizom podataka sa Fermi satelita ustanovljeno je da gama zračenje nastaje sudarima protona ultrarelativističkih mlazova sa protonima međuzvjezdanog gasa, a detalji ovog procesa su precizirani.
Trebalo bi koristiti naknadni sjaj udaljenih događaja za preciznija mjerenja distribucije međugalaktičkog plina do udaljenosti određenih crvenim pomakom Z=10.
U isto vrijemeVeliki dio prirode rafala je još uvijek nepoznat i treba pričekati pojavu novih zanimljivih činjenica i dalji napredak u proučavanju ovih objekata.
