Голям интерес за съвременната астрофизика и космология представлява специален клас явления, наречени гама-лъчи. В продължение на няколко десетилетия и особено активно през последните години науката натрупва данни от наблюдения по отношение на това мащабно космическо явление. Неговата природа все още не е напълно изяснена, но има достатъчно обосновани теоретични модели, които претендират да го обяснят.
Концепцията за феномена
Гама радиацията е най-твърдата област на електромагнитния спектър, образувана от високочестотни фотони от приблизително 6∙1019 Hz. Дължините на вълната на гама лъчите могат да бъдат сравними с размера на атома, а също така могат да бъдат с няколко порядъка по-малки.
Изблик на гама-лъчи е кратък и изключително ярък изблик на космически гама-лъчи. Продължителността му може да бъде от няколко десетки милисекунди до няколко хиляди секунди; най-често регистриранимига с продължителност около секунда. Яркостта на изблиците може да бъде значителна, стотици пъти по-висока от общата яркост на небето в мекия гама диапазон. Характерните енергии варират от няколко десетки до хиляди килоелектронволта на квант на излъчване.
Източниците на изригвания са равномерно разпределени върху небесната сфера. Доказано е, че техните източници са изключително далеч, на космологични разстояния от порядъка на милиарди светлинни години. Друга характеристика на изблиците е техният разнообразен и сложен профил на развитие, известен още като крива на светлината. Регистрирането на това явление се случва почти всеки ден.
История на обучение
Откритието става през 1969 г. при обработка на информация от американските военни спътници Вела. Оказа се, че през 1967 г. спътниците са записали два кратки импулса на гама-лъчение, които членовете на екипа не могат да идентифицират с нищо. С годините броят на подобни събития се увеличава. През 1973 г. данните на Вела са разсекретени и публикувани и започват научни изследвания върху феномена.
В края на 70-те и началото на 1980-те в Съветския съюз серия от експерименти на KONUS установиха съществуването на кратки изблици с продължителност до 2 секунди и също така доказаха, че изблиците на гама лъчение са разпределени на случаен принцип.
През 1997 г. беше открит феноменът "след сияние" - бавното затихване на взрива при по-дълги дължини на вълната. След това учените за първи път успяха да идентифицират събитието с оптичен обект - много далечна галактика с червено изместване.z=0, 7. Това даде възможност да се потвърди космологичната природа на явлението.
През 2004 г. стартира орбиталната гама-обсерватория Swift, с помощта на която стана възможно бързо да се идентифицират събития от гама-обхват с източници на рентгенови и оптични лъчения. В момента в орбита работят още няколко устройства, включително космическият телескоп с гама-лъчи. Ферми.
Класификация
В момента, въз основа на наблюдаваните характеристики, се разграничават два типа изблици на гама лъчи:
- Дълга, характеризираща се с продължителност от 2 секунди или повече. Има около 70% от подобни огнища. Средната им продължителност е 20–30 секунди, а максималната записана продължителност на изригването GRB 130427A е повече от 2 часа. Има гледна точка, според която подобни дълги събития (сега има три) трябва да се разграничават като специален вид ултра-дълги изблици.
- Къса. Те се развиват и избледняват в тесен период от време - по-малко от 2 секунди, но средно продължават около 0,3 секунди. Рекордьорът досега е светкавицата, която продължи само 11 милисекунди.
След това ще разгледаме най-вероятните причини за GRB от двата основни типа.
Хипернова ехо
Според повечето астрофизици дългите изблици са резултат от колапса на изключително масивни звезди. Съществува теоретичен модел, който описва бързо въртяща се звезда с маса над 30 слънчеви маси, която в края на живота си поражда черна дупка. Акреционният дисктакъв обект, колапсар, възниква поради бързото падане на материята на звездната обвивка върху черната дупка. Черната дупка я поглъща за няколко секунди.
В резултат на това се образуват мощни полярни ултралативистични газови струи - струи. Скоростта на изтичане на материя в струи е близка до скоростта на светлината, температурата, а магнитните полета в тази област са огромни. Такава струя е способна да генерира поток от гама лъчение. Феноменът беше наречен хипернова по аналогия с термина "супернова".
Много от дългите изблици на гама-лъчи са доста надеждно идентифицирани със свръхнови с необичаен спектър в далечни галактики. Тяхното наблюдение в радиообхвата показа възможното съществуване на ултрарелативистични струи.
Сблъсъци на неутронни звезди
Според модела, къси изблици възникват, когато масивни неутронни звезди или двойка неутронна звезда-черна дупка се сливат. Такова събитие е получило специално име - "килон", тъй като енергията, излъчвана в този процес, може да надвиши отделянето на енергия на нови звезди с три порядъка.
Двойка супермасивни компоненти първо образуват двоична система, излъчваща гравитационни вълни. В резултат на това системата губи енергия и нейните компоненти бързо падат един върху друг по спираловидни траектории. Сливането им генерира бързо въртящ се обект със силно магнитно поле със специална конфигурация, поради което отново се образуват ултралативистични струи.
Симулацията показва, че резултатът е черна дупка с акреционен плазмен тороид, падащ върху черната дупка за 0,3 секунди. Съществуването на ултрарелативистични струи, генерирани от натрупване, продължава същото време. Данните от наблюдения като цяло са в съответствие с този модел.
През август 2017 г. детекторите на гравитационни вълни LIGO и Virgo откриха сливане на неутронни звезди в галактика на 130 милиона светлинни години. Числовите параметри на килоновата се оказаха не съвсем същите, каквито прогнозира симулацията. Но събитието на гравитационната вълна беше придружено от кратък изблик в гама-обхвата, както и от ефекти в рентгеновите до инфрачервените дължини на вълната.
Странна светкавица
На 14 юни 2006 г. обсерваторията Swift Gamma засича необичайно събитие в не твърде масивна галактика, разположена на 1,6 милиарда светлинни години от нас. Характеристиките му не отговарят на параметрите както на дългите, така и на късите светкавици. Избухването на гама-лъчи GRB 060614 имаше два импулса: първо, твърд импулс с продължителност по-малко от 5 секунди, а след това 100-секундна "опашка" от по-меки гама лъчи. Признаци за свръхнова в галактиката не можаха да бъдат открити.
Не толкова отдавна подобни събития вече се наблюдаваха, но те бяха около 8 пъти по-слаби. Така че този хибриден скок все още не се вписва в рамките на теоретичния модел.
Имаше няколко хипотези за произхода на аномалния гама-лъч GRB 060614. В-Първо, можем да предположим, че е наистина дълъг, а странните характеристики се дължат на някои специфични обстоятелства. Второ, светкавицата беше кратка и "опашката" на събитието по някаква причина придоби голяма дължина. Трето, може да се предположи, че астрофизиците са се сблъскали с нов тип изблици.
Има и напълно екзотична хипотеза: на примера на GRB 060614 учените се натъкнаха на така наречената "бяла дупка". Това е хипотетична област от пространство-време, която има хоризонт на събитията, но се движи по оста на времето, противоположна на нормалната черна дупка. По принцип уравненията на общата теория на относителността предсказват съществуването на бели дупки, но няма предпоставки за тяхното идентифициране и няма теоретични представи за механизмите на образуване на такива обекти. Най-вероятно романтичната хипотеза ще трябва да бъде изоставена и да се съсредоточи върху преизчисляването на моделите.
Потенциална опасност
Изблиците на гама-лъчи във Вселената са повсеместни и се появяват доста често. Възниква естествен въпрос: представляват ли опасност за Земята?
Теоретично изчислени последствията за биосферата, която може да причини интензивно гама-лъчение. И така, с освобождаване на енергия от 1052 erg (което съответства на 1039 MJ или около 3,3∙1038 kWh) и разстояние от 10 светлинни години, ефектът от взрива би бил катастрофален. Изчислено е, че на всеки квадратен сантиметър от земната повърхност в полукълбото, което би имало нещастието да бъде ударено от гама лъчипоток, 1013 ерг, или 1 MJ, или 0,3 kWh енергия ще се освободи. Другото полукълбо също няма да има проблеми - всички живи същества ще умрат там, но малко по-късно, поради вторични ефекти.
Въпреки това, подобен кошмар е малко вероятно да ни застраши: просто няма звезди близо до Слънцето, които могат да осигурят такова чудовищно освобождаване на енергия. Съдбата да станем черна дупка или неутронна звезда също не заплашва близки до нас звезди.
Разбира се, избухването на гама-лъчи би представлявало сериозна заплаха за биосферата и на много по-голямо разстояние, но трябва да се има предвид, че нейното излъчване не се разпространява изотропно, а в доста тесен поток, а вероятността да попаднеш в него от Земята е много по-малка, отколкото обикновено не се забелязва.
Перспективи за учене
Космическите гама-лъчи са една от най-големите астрономически мистерии от почти половин век. Сега нивото на знания за тях е много напреднало поради бързото развитие на инструменти за наблюдение (включително космически), обработка на данни и моделиране.
Например, не толкова отдавна беше направена важна стъпка за изясняване на произхода на феномена на взрива. При анализ на данни от спътника Ферми беше установено, че гама-лъчението се генерира от сблъсъци на протони на ултрарелативистични струи с протони на междузвезден газ и детайлите на този процес бяха уточнени.
Предполага се да използва следите от далечни събития за по-точни измервания на разпределението на междугалактическия газ до разстояния, определени от червеното отместване Z=10.
В същото времеГоляма част от естеството на изблиците все още е неизвестно и трябва да изчакаме появата на нови интересни факти и по-нататъшен напредък в изследването на тези обекти.
