Gamma-sprængning

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 6. august 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Et gammastråleudbrud [2]  er en storstilet kosmisk frigivelse af gammastråleenergi fra det elektromagnetiske spektrum . Gammastråleudbrud (GB) er de lyseste elektromagnetiske hændelser, der forekommer i universet .

Det indledende udbrud efterfølges normalt af en falmende, langvarig "efterglød", der udsendes ved gradvist længere bølgelængder ( røntgen , UV , optik , IR og radio ).

Korte GW'er dannes under sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner , et sort hul og en neutronstjerne , eller teoretisk set to sorte huller [3] . Varighed fra 10 millisekunder til 2 sekunder. [fire]

En lang GW udsendes under en supernovaeksplosion, når den hurtigt roterende kerne af en massiv stjerne kollapser . Dens varighed er fra 2 sekunder til 6 timer. [5]

Dette er en relativt smal stråle af kraftig stråling, så gammastråleudbrud observeres i fjerne galakser , og indtil videre er der kun set to svage i vores. [6] GW energi er ikke sfærisk jævnt fordelt. Jetflyene er centreret som en rumkanon, kegleformet fra pulsarens poler.

På få sekunder af et glimt frigives lige så meget energi, som Solen ville frigive i 10 milliarder års glød. Om en million år findes kun få GW'er i én galakse [7] . Alle observerede GW'er forekommer uden for vores galakse , bortset fra en beslægtet klasse af fænomener, bløde gentagne gammastråleudbrud , som er forbundet med Mælkevejens magnetarer . Der er en antagelse om, at den GW, der fandt sted i vores galakse, kunne føre til masseudryddelse af alt liv på Jorden (undtagen dybhavsbioarter) [8] .

GW blev første gang ved et uheld registreret den 2. juli 1967 af de amerikanske militærsatellitter " Vela " [1] .

Der er bygget hundredvis af teoretiske modeller for at forklare de processer, der kan generere GW'er, såsom kollisioner mellem kometer og neutronstjerner [9] . Men der var ikke nok data til at bekræfte de foreslåede modeller, indtil de første røntgen- og optiske efterlys blev registreret i 1997 , og deres rødforskydning blev bestemt ved direkte måling ved hjælp af et optisk spektroskop. Disse opdagelser og efterfølgende undersøgelser af GW-associerede galakser og supernovaer hjalp med at estimere lysstyrken og afstandene til GW-kilden, og til sidst lokaliserede dem i fjerne galakser og forbinder GW med massive stjerners død. Processen med at studere GW er dog langt fra slut, og GW er fortsat et af astrofysikkens største mysterier . Selv observationsklassificeringen af ​​GW i lange og korte er ufuldstændige.

GV registreres cirka én gang dagligt. Som det blev fastslået i det sovjetiske eksperiment "Konus", som blev udført under ledelse af Evgeny Mazets på rumfartøjerne " Venera-11 ", " Venera-12 " og " Prognoz " i 1970'erne [10] , er GW'er lige så sandsynlige at komme fra enhver retning, hvilket sammen med den eksperimentelt konstruerede afhængighedslog  N  - log  S ( N  er antallet af GW'er, der giver en gammastråleflux nær Jorden større end eller lig med S ), indikerede, at GW'er er af en kosmologisk natur (mere præcist er de ikke forbundet med galaksen eller ikke kun med den, men forekommer i hele universet , og vi ser dem fra fjerne steder i universet). Retningen til kilden blev estimeret ved hjælp af trianguleringsmetoden .

Historie

1963 , oktober: Det amerikanske luftvåben opsendte den første satellit i Vela -serien i kredsløb om Jorden for at overvåge atomeksplosioner i atmosfæren , efter indgåelsen af ​​Moskva-traktaten om forbud mod tre medier i 1963 . Om bord på satellitten var detektorer for røntgen- , gamma- og neutronstråling [ 1] .

Opdagelse af gammastråleudbrud: Vela-æraen

Mange teorier har forsøgt at forklare disse udbrud. De fleste hævdede, at kilderne er inden for Mælkevejen . Men ingen eksperimentel bekræftelse blev foretaget før 1991.

Akkumulering af statistik: BATSE- æra

Fra 5. april 1991 til 4. juni 2000 opererede Compton Gamma Ray Observatory ( CGRO ) i kredsløb [20] .  En Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ) detektor blev installeret om bord , designet til at registrere GW. Under driften blev 2704 hændelser detekteret (det vil sige ca. et udbrud pr. dag).

Ved hjælp af BATSE blev resultaterne af det fysiske tekniske institut bekræftet , at GW'er er isotropisk fordelt over himmelsfæren og ikke er grupperet i nogen region i rummet, for eksempel i centrum af galaksen eller langs galaktens plan ækvator [21] . På grund af Mælkevejens flade form er kilderne, der tilhører vores galakse, koncentreret nær det galaktiske plan. Fraværet af en sådan egenskab ved GW'er er et stærkt bevis for deres oprindelse uden for Mælkevejen [22] [23] [24] , selvom nogle modeller af Mælkevejen stadig er i overensstemmelse med en lignende isotrop fordeling [25] .

Følgende empiriske egenskaber for GW'er blev også etableret: en lang række lyskurver (glatte og takkede på meget korte tidsskalaer), en bimodal varighedsfordeling (korte - mindre end 2 sekunder - med et hårdere spektrum og lange - mere end 2 sekunder - med et blødere spektrum).

Årtier efter opdagelsen af ​​GW har astronomer ledt efter en komponent - ethvert astronomisk objekt placeret på stedet for en nylig GW. Mange forskellige klasser af objekter er blevet overvejet, herunder hvide dværge , pulsarer , supernovaer , kugleformede stjernehobe , kvasarer , Seyfert-galakser og BL Lac- objekter [26] . Alle disse søgninger var mislykkede, og selv i nogle få tilfælde af en ret god placering af GW var det umuligt at se noget mærkbart lyst objekt. Hvilket angiver oprindelsen af ​​GW enten fra meget svage stjerner eller fra ekstremt fjerne galakser [27] [28] . Selv de mest nøjagtige placeringer var begrænset til områder af grupper af svage stjerner og galakser. Det blev klart, at både nye satellitter og hurtigere kommunikation er påkrævet for den endelige opløsning af GW-koordinater [29] .

Opdagelse af eftergløder: BeppoSAX -æraen

Adskillige modeller for oprindelsen af ​​GW foreslog, at efter det indledende udbrud af gammastråler skulle der forekomme langsomt henfaldende stråling ved længere bølgelængder, dannet på grund af sammenstødet af stof, der udstødes som følge af blitzen og interstellar gas [30] . Denne stråling (i alle områder af det elektromagnetiske spektrum) begyndte at blive kaldt " efterglød " ("efterglød" eller "halo") fra GW. Tidlige søgninger efter "eftergløden" var mislykkede, hovedsageligt på grund af vanskeligheden ved at bestemme de nøjagtige langbølge-GW-koordinater umiddelbart efter det første udbrud.

Et gennembrud i denne retning skete i februar 1997 , da den italiensk-hollandske satellit BeppoSAX detekterede gammastråleudbruddet GRB 970228 , og 8 timer senere detekterede en røntgendetektor (også ombord på BeppoSAX) den henfaldende røntgenstråling fra GRB 970228. Koordinaterne for røntgen-"eftergløden" blev bestemt med meget større nøjagtighed end for gammastråler. Inden for få timer bestemte en gruppe analytikere fra BeppoSAX-projektet koordinaterne for udbruddet med en nøjagtighed på 3 bueminutter.

Jordbaserede optiske teleskoper opdagede da også en falmende ny kilde i området; således blev dens position kendt inden for et buesekund. Efter nogen tid afslørede et dybt billede af Hubble-teleskopet en fjern, meget svag galakse ( z  = 0,7) på stedet for den tidligere kilde. Således er den kosmologiske oprindelse af gamma-stråleudbrud blevet bevist. Efterfølgende blev der observeret efterlys i mange udbrud, i alle områder (røntgen, ultraviolet, optik, IR, radio). Rødforskydningerne viste sig at være meget store (op til 6, for det meste i intervallet 0-4 for lange gammastråleudbrud; for korte, mindre).

The Age of Rapid Identification: Swift

Swift -satellitten blev lanceret i 2004 og har evnen til hurtig (mindre end et minut) optisk og røntgenidentifikation af bursts. Blandt hans opdagelser er kraftige, nogle gange flere røntgenudbrud i efterlys, til tider op til flere timer efter udbruddet; påvisning af efterglød allerede inden afslutningen af ​​den egentlige gammastråling mv.

Afstande og energi

Det er klart ud fra den kosmologiske natur af gamma-stråleudbrud, at de skal have gigantisk energi. For eksempel, for GRB 970228- hændelsen , under antagelse af strålingsisotropi, er energien kun i gammaområdet 1,6⋅10 52  erg (1,6⋅10 45  J), hvilket er en størrelsesorden større end energien i en typisk supernova. For nogle gammastråleudbrud når estimatet 10 54  erg, det vil sige, det er sammenligneligt med Solens hvileenergi. Desuden frigives denne energi på meget kort tid.

Energioutputtet sker i form af en kollimeret strømning ( relativistisk stråle ), i hvilket tilfælde energiestimatet falder proportionalt med strålekeglens åbningsvinkel. Dette bekræftes også af observationer af efterglødende lyskurver (se nedenfor). Den typiske sprængningsenergi, inklusive jetfly, er omkring 10 51  erg, men spredningen er ret stor. Tilstedeværelsen af ​​relativistiske jetfly betyder, at vi ser en lille del af alle udbrud forekommer i universet. Deres frekvens anslås at være i størrelsesordenen et udbrud pr. galakse hvert 100.000 år.

Begivenheder, der genererer gammastråleudbrud, er så kraftige, at de nogle gange kan observeres med det blotte øje, selvom de forekommer i en afstand af milliarder af lysår fra Jorden [31] .

Mekanismer for gammastråleudbrud

Mekanismen, hvorved så meget energi frigives på så kort tid i et lille volumen, er stadig ikke helt klar. Det er højst sandsynligt, at det er anderledes i tilfælde af korte og lange gammastråleudbrud. Til dato er der to hovedunderarter af GW: lang og kort , som har betydelige forskelle i spektre og observationsmanifestationer. Så lange gammastråleudbrud er nogle gange ledsaget af en supernovaeksplosion, men korte aldrig. Der er to hovedmodeller, der forklarer disse to typer katastrofer.

Lange gammastråleudbrud og supernovaer

Lange gammastråleudbrud er sandsynligvis forbundet med type Ib/c supernovaer . I flere tilfælde viste en optisk identificeret kilde, et stykke tid efter udbruddet, spektre og lyskurver, der er karakteristiske for supernovaer. Derudover havde de i de fleste tilfælde af identifikation med galakser tegn på aktiv stjernedannelse .

Ikke alle type Ib/c supernovaer kan forårsage et gammastråleudbrud. Det er begivenheder forbundet med kollapset i et sort hul i kernen af ​​en massiv (> 25 solmasser) stjerne, blottet for en brintskal, som har et stort rotationsmoment - den såkaldte kollapsarmodel . Ifølge beregninger bliver en del af kernen til et sort hul, omgivet af en kraftig tilvækstskive , som falder ned i hullet inden for få sekunder. Samtidig udsendes relativistiske jetfly langs skivens akse, der bryder igennem stjernens skal og forårsager et udbrud. Sådanne tilfælde bør være omkring 1% af det samlede antal supernovaer (nogle gange kaldes de hypernovaer ).

Hovedmodellen for lange gammastråleudbrud blev foreslået af den amerikanske videnskabsmand Stan Woosley  - en kollapsarmodel kaldet "failed supernova" ( eng.  failed supernova ; Woosley 1993). I denne model genereres et gammastråleudbrud af en stråle (jet) under kollapset af en massiv Wolf-Rayet-stjerne (i det væsentlige helium- eller kulstof-iltkernen af ​​en normal stjerne). Denne model kan i princippet beskrive lange (men ikke for lange) GW'er. En vis udvikling af denne model blev lavet af den polske videnskabsmand Bogdan Paczynski., der brugte udtrykket " hypernovaeksplosion " ( engelsk  hypernovaeksplosion ; Paczynski, 1998).

Også udtrykket " hypernova " blev brugt meget tidligere af andre astrofysikere i en anden sammenhæng.

Korte gamma-stråleudbrud og sammensmeltninger af relativistiske objekter

Mekanismen for korte gammastråleudbrud er muligvis forbundet med sammensmeltningen af ​​neutronstjerner eller en neutronstjerne og et sort hul. På grund af det store vinkelmomentum kan et sådant system ikke umiddelbart helt blive til et sort hul: et indledende sort hul og en tilvækstskive omkring det dannes. Ifølge beregninger skulle den karakteristiske tid for sådanne hændelser kun være en brøkdel af et sekund, hvilket bekræftes af simuleringer på supercomputere [32] . De identificerede korte GRB'er ligger på systematisk mindre afstande end de lange og har en lavere energifrigivelse.

En model, der er egnet til at beskrive korte gammastråleudbrud, blev foreslået af sovjetiske astrofysikere S. I. Blinnikov og andre - fusionen af ​​binære neutronstjerner . [33]

Israelske astronomer Alon Retter og Shlomo Heller antyder, at den unormale GRB 060614, der fandt sted i 2006, var et hvidt hul . Alon Retter mener, at de hvide huller, der er opstået, straks forfalder, ligner Big Bang , Retter og kolleger kaldte det "Small Bang" ( eng.  Small Bang ).

Afterglows: relativistiske jetfly

I modsætning til selve gammastråleudbruddet er efterglødemekanismerne teoretisk set ret veludviklede. Det antages, at en eller anden begivenhed i det centrale objekt initierer dannelsen af ​​en ultrarelativistisk ekspanderende skal ( Lorentz-faktor γ af størrelsesordenen 100). Ifølge en model består skallen af ​​baryoner (dens masse skal være 10 −8  - 10 −6 solmasser), ifølge en anden er det en magnetiseret strøm, hvor hovedenergien overføres af Poynting-vektoren .

Det er meget væsentligt, at der i mange tilfælde er en stærk variabilitet både i selve gammastrålingen (til tider af størrelsesordenen instrumentopløsning - millisekunder) og i røntgenstråler og optiske efterlys (sekundære og efterfølgende opblussen, hvor energifrigivelsen kan sammenlignes med selve udbruddet). Til en vis grad kan dette forklares ved sammenstødet af flere stødbølger i skallen, der bevæger sig med forskellige hastigheder, men generelt udgør dette fænomen et alvorligt problem for enhver forklaring af den centrale maskines mekanisme: det er nødvendigt, at efter det første udbrud kunne det stadig give flere episoder af energifrigivelse, nogle gange gennem tider af størrelsesordenen flere timer.

Eftergløden kommer hovedsageligt af synkrotronmekanismen og muligvis Compton backscattering .

Efterglødernes lyskurver er ret komplekse, da de er sammensat af buechokstrålingen, den bagudgående chokbølge, mulig supernovastråling osv. til fordel for tilstedeværelsen af ​​en relativistisk stråle: der opstår et knæk, når γ-faktoren falder til ~ 1/θ, hvor θ er jetåbningsvinklen.

Mulig fare for Jorden

Boris Stern skriver: "Lad os tage et moderat tilfælde af en energifrigivelse på 10 52 erg og en afstand til udbruddet på 3 parsecs eller 10 lysår eller 10 19 cm - omkring et dusin stjerner er inden for sådanne grænser fra os. På en sådan afstand vil der i løbet af få sekunder blive frigivet 10 13 ergs på hver kvadratcentimeter af planeten, der er fanget i gamma quantas bane . Dette svarer til at eksplodere en atombombe på hver hektar af himlen [note 1] ! Atmosfæren hjælper ikke: Selvom energien vil blive vist i dets øverste lag, vil en betydelig del øjeblikkeligt nå overfladen i form af lys. Det er klart, at alt liv på den bestrålede halvdel af planeten vil blive udryddet øjeblikkeligt, på den anden halvdel lidt senere på grund af sekundære effekter. Selv hvis vi tager en afstand 100 gange større (dette er allerede tykkelsen af ​​den galaktiske skive og hundredtusindvis af stjerner), vil effekten (én atombombe pr. kvadrat med en side på 10 km) være det hårdeste slag, og her vi skal allerede seriøst vurdere, hvad der vil overleve, og om der overhovedet er noget."

Stern mener, at et gammastråleudbrud i vores galakse i gennemsnit sker en gang hver million år. Et gammastråleudbrud fra en stjerne som WR 104 kan forårsage en intens ozonnedbrydning på halvdelen af ​​planeten.

Måske forårsagede gammastråleudbruddet Ordovicium-Silur-udryddelsen for omkring 443 millioner år siden, da 60% af arterne af levende væsener døde (og en meget større andel i forhold til antallet af individer, da kun få individer er nok til artens overlevelse). [34]

Se også

Noter

Kommentarer
  1. ↑ En eksplosion på 10 14 J eller omkring 23,9 kt , hvilket er lidt mere end Fat Man-bombens eksplosionskraft .
Kilder
  1. ↑ 1 2 3 4 5 Gammastråleudbrud : en kort historie  . NASA. Hentet 10. april 2018. Arkiveret fra originalen 21. december 2016.
  2. ↑ Udtrykket gammastråler findes også i litteraturen og medierne .
  3. ↑ arXiv:1604.07132[astro-ph.HE]
  4. ↑ doi.org/10.3847/1538-4357/aba529
  5. ↑ arXiv:1212.2392[astro-ph.HE]
  6. ↑ PoS(ICRC2021)019
  7. ↑ Podsiadlowski P., Mazzali PA, Nomoto K., et al. Hyppigheden af ​​hypernovaer og gammastråleudbrud: konsekvenser for deres forfædre  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 23. april 2004. - Vol. 607 , nr. 1 . — ISSN 1538-4357 . - doi : 10.1086/421347 .
  8. ↑ Melott AL , Lieberman BS, Laird CM, et al. Indledte et gammastråleudbrud den sene ordoviciske masseudryddelse?  (engelsk)  // International Journal of Astrobiology . - Januar 2004. - Bd. 3 , nr. 1 . - S. 55-61 . — ISSN 1475-3006 . - doi : 10.1017/S1473550404001910 .
  9. ↑ Hurley, Kevin. A Gamma-Ray Burst Bibliography, 1973-2001 // Gamma-Ray Burst and Afterglow Astronomy 2001: A Workshop Celebrating the First Year of the HETE Mission / Ed. af GA Ricker, RK Vanderspek. - American Institute of Physics , 2003. - S. 153-155. — ISBN 0-7534-0122-5 .
  10. ↑ Mazets E. P., Golenetskii S. V. et al. Venera 11 og 12 observationer af gammastråleudbrud - Kegleeksperimentet  // Astronomy Letters  : journal  . - 1979. - Bd. 5 . - S. 87-90 .
  11. ↑ Luchkov B. I., Mitrofanov I. G., Rozental I. L. Om naturen af ​​kosmiske gammastråleudbrud . - UFN, 1996. - T. 166 , nr. 7 . - S. 743-762 .  (Få adgang: 4. august 2011)
  12. ↑ NASA HEASARC: IMP-6 . NASA. Arkiveret fra originalen den 5. februar 2012.
  13. ↑ NASA HEASARC: OSO-7 . NASA. Arkiveret fra originalen den 5. februar 2012.
  14. ↑ Mazets E. P., Golenetsky S. V., Ilyinsky V. N. Et kosmisk gammastråleudbrud ifølge observationer på Kosmos-461-satellitten  // JETP Letters. - 1974. - T. 19 . - S. 126-128 .
  15. ↑ Klebesadel RW et al. Observationer af gammastråleudbrud af kosmisk oprindelse . - USA: ApJ., 1973. - T. 182 . - S. 85-88 .
  16. ↑ Schilling 2002, s. 19-20.
  17. ↑ Aptekar R. L., Golenetsky S. V., Mazets E. P., Palshin V. D., Frederiks D. D. Forskning af kosmiske gammastråleudbrud og bløde gammastrålerepeatere i eksperimenterne med FTI KONUS . - UFN, 2010. - T. 180 . - S. 420-424 .
  18. ↑ Golenetsky S. V., Mazets E. P.  // Lør. Astrofysik og rumfysik. - M . : Fizmatlit, 1982. - S. 216 .
  19. ↑ Golenetsky S. V., Mazets E. P.  // Lør. Astrofysik og rumfysik (Itogi nauki i tekhniki. Ser. Astronomy). - M. : VINITI, 1987. - T. 32 . - S. 16 .
  20. ↑ NASA HEASARC: CGRO . NASA. Arkiveret fra originalen den 5. februar 2012.
  21. ↑ Meegan, C. A. et al. Rumlig fordeling af gammastråleudbrud observeret af BATSE  // Nature  :  journal. - 1992. - Bd. 355 . — S. 143 . - doi : 10.1038/355143a0 .
  22. ↑ Schilling, Govert . Blitz! Jagten på de største eksplosioner i universet   : journal . - Cambridge University Press , 2002. - ISBN 0-521-80053-6 .
  23. ↑ Paczyński, B. How Far Away Are Gamma-Ray Bursters? (engelsk)  // Publications of the Astronomical Society of the Pacific . - 1995. - Bd. 107 . — S. 1167 . - doi : 10.1086/133674 . - .
  24. ↑ Piran, T. Implikationerne af Compton (GRO) observationerne for kosmologiske gammastråleudbrud  //  The Astrophysical Journal  : journal. - IOP Publishing , 1992. - Vol. 389 . — P.L45 . - doi : 10.1086/186345 .
  25. ↑ Lamb D. Q. The Distance Scale to Gamma-Ray Bursts  // Publikationer fra Astronomical Society of the Pacific  . - 1995. - Bd. 107 . - S. 1152 . - doi : 10.1086/133673 . - .
  26. ↑ Hurley, K., Cline, T. og Epstein, R. (1986). "Fejlbokse og rumlig fordeling". I Liang, E.P.; Petrosian, V. AIP Conference Proceedings . Gammastråleudbrud. 141 . American Institute of Physics . pp. 33-38. ISBN  0-88318-340-4 .
  27. ↑ Pedersen, H.; et al. (1986). "Deep Searches for Burster Counterparts". I Liang, Edison P.; Petrosian, Vahe. AIP Conference Proceedings . Gammastråleudbrud. 141 . American Institute of Physics . pp. 39-46. ISBN  0-88318-340-4 .
  28. ↑ Hurley, K. Gamma-Ray Bursts - Receding from Our Grip  // Nature  :  journal. - 1992. - Bd. 357 . — S. 112 . - doi : 10.1038/357112a0 . — .
  29. ↑ Fishman, C.J.; Meegan, C. A. Gamma-Ray Bursts   // Årlig gennemgang af astronomi og astrofysik. - 1995. - Bd. 33 . - S. 415-458 . - doi : 10.1146/annurev.aa.33.090195.002215 .
  30. ↑ Paczyński, B.; Rhoads, J. E. Radio Transients from Gamma-Ray Bursters // Astrophysics Journal . - 1993. - T. 418 . - S. 5 . - doi : 10.1086/187102 . - .
  31. ↑ Den klareste eksplosion i universet Arkiveret 15. september 2008 på Wayback Machine .
  32. ↑ Fusion af neutronstjerner kan tjene som energikilde til korte gammastråleudbrud Arkiveret 29. april 2011 på Wayback Machine // Elements.
  33. ↑ Binnikov, S., et al. Eksploderende neutronstjerner i tæt binære  (engelsk)  // Astronomy Letters  : journal. - 1984. - Bd. 10 . — S. 177 .
  34. ↑ Gammastråleudbrud . Arkiveret 1. januar 2015 på Wayback Machine . Sikkerhedsleksikon.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger