Гама-лъчеви избухвания (GRB): дефиниция, произход и характеристики

Открийте всичко за гама-лъчевите избухвания (GRB): произход, видове, енергия, послесветлина и възможни рискове за Земята — пълен научен гид за най-мощните взривове във Вселената.

Избухванията на гама-лъчи (GRB) са кратки, интензивни проблясъци от гама-лъчи от изключително енергични експлозии, наблюдавани предимно в далечни галактики. Те представляват някои от най-ярките познати електромагнитни събития във Вселената — в рамките на секунди се освобождава енергия, сравнима с тази, която Слънцето излъчва за милиарди години.

Продължителност и послесветлина

Избухванията могат да траят от милисекунди до няколко минути, като типичният изблик продължава няколко секунди. Първоначалният, енергичен "промпт" етап често е последван от по-дълготрайно послесветло (afterglow), излъчвано на по-нискоенергийни вълни — рентгенови, ултравиолетови, видими, инфрачервени и радиовълни. Послесветлината може да продължи дни, седмици или дори месеци и да разкрие информация за околната среда и енергетиката на взрива.

Основни характеристики

• Краткотрайност и яркост: гръмотевични, бързи проблясъци с много висока енергия.
• Биминг (насоченост): излъчването обикновено е в тесен лъч (джет), което означава, че наблюдаваната енергия може да бъде надценена ако се приема, че е изотропна.
• Рентгеново/оптично послесветло: помага да се локализират и да се изучават домакинските галактики.
• Спектър и вариабилност: спектърът на промпт емисията е широк и често проявява сложни, бързо променящи се структури в светлинния крив.
• Рела relativистични джетове: материалът се движи с високи Лоренцови фактори (стотици), което предотвратява поглъщането на гама-лъчите вътре в потока.

Произход и модели

За повечето дълги GRB широко приетият модел е колапсът на масивна, бързо въртяща се звезда — колапсар или свързано със свръхнова, при което ядрото се срутва и образува черна дупка, а част от енергията и материята се изхвърля в тясно насочени джетове. Такива събития обикновено се намират в млади, активно формиращи звезди галактики.

Подкласът на GRB, наричан "къси избухвания", изглежда има различен произход — най-вероятно при сливане на двойни неутронни звезди или сливане на неутронна звезда с черна дупка. При тези събития може да възникне и т.нар. килонова — оптично/инфрачервено излъчване от разпадащите се радиоактивни елементи в изхвърления материал (потвърдено при GW170817).

Има няколко теоретични механизма за самата промпт емисия: вътрешни удари в нерегулярни, релативистични потоци, магнитна реконектирация в силно магнетизирани джетове или компресиращо радиационно процесиране. За послесветлината водещ модел е външният удар — взаимодействие на джета с междузвездната среда, което генерира синхротронно излъчване от ускорени електрони.

Класификация

Традиционно GRB се делят по продължителност около границата от ~2 секунди:

• Дълги GRB (повече от ~2 s) — свързани с колапси на масивни звезди и често съпровождани от тип Ic свръхнови.
• Къси GRB (по-малко от ~2 s) — вероятно причинени от сливане на компактни обекти; често са по-слабо свързани със звездните региони и могат да имат по-слабо или по-късо послесветло, понякога придружено от килонова.

Енергия, далечини и честота

Повечето GRB са на милиарди светлинни години от Земята, което означава, че истинската освободена енергия е огромна. Ако се приеме, че излъчването е изотропно, типичен изблик би освободил колкото цялото светене на Слънцето за 10-милиарден живот; реално, поради биминга, енергията изисквана от източника е по-малка, но все пак много голяма. Типичният ъгъл на джета е от порядъка на няколко градуса, а Лоренцовите фактори са хиляди до стотици.

GRB са редки явления — приблизително няколко на галактика за милион години, но благодарение на огромния обем на наблюдаваната Вселена, инструменти като BATSE, Swift и Fermi регистрират десетки до стотици събития годишно.

Млечният път, магнетари и меки гама-ретранслатори

До момента всички наблюдавани класически GRB идват извън галактиката Млеченпът. В нашата галактика има обаче свързани, по-слаби явления — т.нар. меки гама-ретранслатори (SGR), които често се приписват на магнетари (неутронни звезди с изключително силно магнитно поле). Енергията на локалните SGR събития е много по-малка от космологичните GRB, но в редки случаи един мощен изблик от магнетар би могъл временно да наруши ионосферата на Земята.

Влияния върху Земята и живота

Изказвани са хипотези, че директен, близък GRB в Млечния път би могъл да предизвика значителни атмосферни промени и потенциално да повлияе на биосферата, включително да доведе до масови измирания. До момента няма сигурни доказателства за такова събитие в историята на Земята.

Откриване и съвременни мисии

Първите GRB бяха открити случайно от сателити Vela през края на 1960-те. Оттогава работят редица мисии, които наблюдават и локализират GRB: BATSE (на борда на CGRO), Swift (сензори за бърза локализация и следене на послесветлината), Fermi (широкоспектърен телескоп за високи енергии) и други наземни и космически обсерватории. Комбинацията от бърза локализация и мултидължинни наблюдения е ключова за разкриване на природата на източниците.

Много-методна (мулти-месинджър) астрономия

Наскоро сливането на двойна неутронна звезда, регистрирано чрез гравитационни вълни (GW170817), беше съпроводено от къс GRB и последваща килонова — това отваря нова ера на много-методна астрономия, в която гама-лъчевите събития могат да бъдат проследявани с гравитационни вълни, оптика, рентген и радионаблюдения. Такива координирани наблюдения дават директни улики за механизма на експлозията, свойствата на джета и формирането на тежки елементи.

Заключение

Гама-лъчевите избухвания са едни от най-екстремните и информативни явления във Вселената: те позволяват да се изучават процеси на формиране на черни дупки, сливане на компактни обекти и синтез на тежки елементи, както и да се изследва междузвездната и междупланетната среда в отдалечени галактики. Продължаващите наблюдения и развитието на мулти-месинджър техниките обещават още открития и по-дълбоко разбиране на тези мощни събития.

История

Гама-изригванията са наблюдавани за първи път в края на 60-те години на миналия век от американските спътници Vela, които са създадени, за да откриват импулси гама-лъчение, излъчвани от ядрени оръжия, тествани в космоса.

На 2 юли 1967 г., в 14:19 UTC, спътниците Vela 4 и Vela 3 откриват изблик на гама-лъчение, който не прилича на нито един от известните сигнали за ядрено оръжие. Без да е сигурен какво се е случило, но без да смята въпроса за особено спешен, екипът в научната лаборатория в Лос Аламос съхранява данните за разследване.

Анализирайки различните времена на пристигане на избухванията, засечени от различни спътници, екипът успява да определи приблизителни оценки за небесните позиции на шестнадесетте избухвания12-16 и окончателно да изключи земен или слънчев произход. Откритието е публикувано през 1973 г.

Позиции на небето на всички гама-изригвания, засечени по време на мисията BATSE. Разпределението е случайно, без концентрация към равнината на Млечния път, която минава хоризонтално през центъра на изображението.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват гама-изригванията?

В: Колко време обикновено продължават GRB?

В: Какъв е източникът на повечето GRB?

В: Откъде идват повечето наблюдавани GRB?

Въпрос: Колко енергия се отделя при един среден взрив?

В: Колко редки са случаите на GRB?

В: Може ли да има някаква опасност от гама-изригванията в нашата галактика?

Търсене по буква