Suur huvi tänapäeva astrofüüsika ja kosmoloogia vastu on nähtuste eriklass, mida nimetatakse gammakiirguse pursketeks. Mitu aastakümmet ja eriti aktiivselt viimastel aastatel on teadus kogunud selle ulatusliku kosmilise nähtuse kohta vaatlusandmeid. Selle olemust pole veel täielikult välja selgitatud, kuid on piisav alt põhjendatud teoreetilisi mudeleid, mis väidetav alt seda seletavad.
Nähtuse kontseptsioon
Gammakiirgus on elektromagnetilise spektri tugevaim piirkond, mille moodustavad ligikaudu 6∙1019 Hz kõrgsageduslikud footonid. Gammakiirte lainepikkused võivad olla võrreldavad aatomi suurusega ja võivad olla ka mitu suurusjärku väiksemad.
Gammakiirgus on lühike ja äärmiselt ere kosmiliste gammakiirguse purse. Selle kestus võib olla mitmekümnest millisekundist mitme tuhande sekundini; kõige sagedamini registreeritudvälgub umbes sekundi. Pursete heledus võib olla märkimisväärne, sadu kordi suurem kui taeva koguheledus pehmes gammavahemikus. Iseloomulikud energiad ulatuvad mitmekümnest kuni tuhandete kiloelektronvoltideni kiirguskvanti kohta.
Särade allikad on taevasfääris ühtlaselt jaotunud. On tõestatud, et nende allikad on äärmiselt kaugel, miljardite valgusaastate suurusjärgus kosmoloogilistel kaugustel. Purskete teine omadus on nende mitmekesine ja keerukas arenguprofiil, mida nimetatakse ka valguskõveraks. Selle nähtuse registreerimine toimub peaaegu iga päev.
Õpingute ajalugu
Avastus toimus 1969. aastal Ameerika sõjaväe Vela satelliitide teabe töötlemisel. Selgus, et 1967. aastal registreerisid satelliidid kaks lühikest gammakiirguse impulssi, mida meeskonnaliikmed ei suutnud millegagi tuvastada. Aastate jooksul on selliste sündmuste arv kasvanud. 1973. aastal Vela andmed kustutati ja avaldati ning selle nähtuse kohta alustati teaduslikke uuringuid.
Nõukogude Liidus 1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses tegi rida KONUSe katseid kindlaks lühikeste, kuni 2-sekundiliste purskete olemasolu ning tõestas ka, et gammakiirguse pursked jagunevad juhuslikult.
1997. aastal avastati "järelvalguse" fenomen – pikemate lainepikkuste korral esinev purske aeglane vaibumine. Pärast seda õnnestus teadlastel esimest korda sündmus tuvastada optilise objektiga - väga kauge punanihkega galaktikaga.z=0, 7. See võimaldas kinnitada nähtuse kosmoloogilist olemust.
2004. aastal käivitati Swift orbitaalne gammakiirguse observatoorium, mille abil sai võimalikuks kiiresti tuvastada gammaulatuse sündmusi röntgeni- ja optilise kiirguse allikatega. Praegu töötab orbiidil veel mitu seadet, sealhulgas gammakiirguse kosmoseteleskoop. Fermi.
Klassifikatsioon
Praegu eristatakse vaadeldud tunnuste põhjal kahte tüüpi gammakiirgust:
- Pikk, mida iseloomustab kestus 2 sekundit või rohkem. Selliseid puhanguid on umbes 70%. Nende keskmine kestus on 20–30 sekundit ja GRB 130427A välgu maksimaalne registreeritud kestus oli üle 2 tunni. On seisukoht, mille kohaselt tuleks selliseid pikki sündmusi (praegu on kolm) eristada ülipikkade saringute eritüübina.
- Lühike. Need arenevad ja tuhmuvad kitsa aja jooksul – vähem kui 2 sekundiga, kuid kestavad keskmiselt umbes 0,3 sekundit. Senine rekordiomanik on välklamp, mis kestis vaid 11 millisekundit.
Järgmisena vaatleme kahte peamist tüüpi GRB-de kõige tõenäolisemaid põhjuseid.
Hüpernova kajab
Enamiku astrofüüsikute sõnul on pikad pursked ülimassiivsete tähtede kokkuvarisemise tagajärg. On olemas teoreetiline mudel, mis kirjeldab kiiresti pöörlevat tähte, mille mass on üle 30 Päikese massi ja mille eluea lõpus tekib must auk. Akretsiooniketasselline objekt, kollaps, tekib tänu sellele, et tähe ümbris langeb kiiresti mustale augule. Must auk neelab selle mõne sekundiga alla.
Selle tulemusena tekivad võimsad polaarsed ultrarelativistlikud gaasijoad – joad. Aine väljavoolu kiirus jugades on lähedane valguse kiirusele, temperatuur ja magnetväljad selles piirkonnas on tohutud. Selline joa on võimeline tekitama gammakiirguse voogu. Seda nähtust nimetati hüpernoovaks analoogselt terminiga "supernoova".
Paljud pikad gammakiirguse pursked tuvastatakse üsna usaldusväärselt kaugetes galaktikates ebatavalise spektriga supernoovadega. Nende vaatlus raadioulatuses näitas ultrarelativistlike jugade võimalikku olemasolu.
Neutrontähtede kokkupõrked
Vastav alt mudelile tekivad lühikesed pursked massiivsete neutrontähtede või neutronitähe ja musta augu paari ühinemisel. Selline sündmus on saanud erilise nime - "kilon", kuna selles protsessis eralduv energia võib ületada uute tähtede energia vabanemist kolme suurusjärgu võrra.
Paar ülimassiivseid komponente moodustab esm alt kahendsüsteemi, mis kiirgab gravitatsioonilaineid. Selle tulemusena kaotab süsteem energiat ja selle komponendid kukuvad spiraalseid trajektoore mööda kiiresti üksteise peale. Nende ühinemisel tekib kiiresti pöörlev erikonfiguratsiooniga tugeva magnetväljaga objekt, mille tõttu tekivad jällegi ultrarelativistlikud joad.
Simulatsioon näitab, et tulemuseks on must auk, mille akretsioonplasma toroid langeb mustale augule 0,3 sekundiga. Akretsiooni poolt tekitatud ultrarelativistlike jugade olemasolu kestab sama kaua. Vaatlusandmed on üldiselt selle mudeliga kooskõlas.
2017. aasta augustis tuvastasid gravitatsioonilainete detektorid LIGO ja Virgo neutrontähtede ühinemise 130 miljoni valgusaasta kaugusel asuvas galaktikas. Kilonova numbrilised parameetrid osutusid mitte päris samadeks, nagu simulatsioon ennustab. Kuid gravitatsioonilaine sündmusega kaasnes lühike purske gammakiirguse vahemikus, samuti mõjud röntgenikiirguses infrapuna lainepikkustele.
Imelik välk
14. juunil 2006 tuvastas Swift Gamma Observatoorium ebatavalise sündmuse mitte liiga massiivses galaktikas, mis asub 1,6 miljardi valgusaasta kaugusel. Selle omadused ei vastanud nii pikkade kui ka lühikeste välkude parameetritele. Gammakiirguse purskel GRB 060614 oli kaks impulssi: esiteks jäi alla 5 sekundi pikkune kõva impulss ja seejärel 100-sekundiline pehmemate gammakiirte "saba". Supernoova märke galaktikas ei õnnestunud tuvastada.
Mitte kaua aega tagasi oli sarnaseid sündmusi juba täheldatud, kuid need olid umbes 8 korda nõrgemad. Nii et see hübriidlaine ei mahu veel teoreetilise mudeli raamistikku.
Anomaalse gammakiirguse purske GRB 060614 päritolu kohta on olnud mitmeid hüpoteese. sisse-Esiteks võime eeldada, et see on tõesti pikk ja kummalised tunnused on tingitud teatud asjaoludest. Teiseks oli välk lühike ja ürituse "saba" omandas millegipärast suure pikkuse. Kolmandaks võib oletada, et astrofüüsikud on kohanud uut tüüpi purse.
On olemas ka täiesti eksootiline hüpotees: GRB 060614 näitel puutusid teadlased kokku nn "valge auguga". See on hüpoteetiline aegruumi piirkond, millel on sündmuste horisont, kuid mis liigub mööda ajatelge, mis on vastupidine tavalisele mustale augule. Põhimõtteliselt ennustavad üldrelatiivsusteooria võrrandid valgete aukude olemasolu, kuid nende tuvastamiseks puuduvad eeldused ja teoreetilised ideed selliste objektide tekkemehhanismide kohta. Tõenäoliselt tuleb romantiline hüpotees loobuda ja keskenduda mudelite ümberarvutamisele.
Võimalik oht
Gammakiirguse pursked Universumis on üldlevinud ja toimuvad üsna sageli. Tekib loomulik küsimus: kas need kujutavad endast Maale ohtu?
Teoreetiliselt arvutatud tagajärjed biosfäärile, mis võib põhjustada intensiivset gammakiirgust. Niisiis, energia vabanemisega 1052 erg (mis vastab 1039 MJ ehk umbes 3,3∙1038 kWh) ja 10 valgusaasta kaugusel oleks plahvatuse mõju katastroofiline. On välja arvutatud, et igal poolkeral asuval Maa pinna ruutsentimeetril oleks õnnetus sattuda gammakiirte alla.voolust vabaneb 1013 erg ehk 1 MJ ehk 0,3 kWh energiat. Ka teine poolkera ei jää hätta - seal surevad kõik elusolendid, aga sekundaarsete mõjude tõttu veidi hiljem.
Samas selline õudusunenägu meid tõenäoliselt ei ähvarda: Päikese lähedal pole lihts alt tähti, mis suudaksid pakkuda nii koletu energiavabastuse. Mustaks auguks või neutrontäheks saamise saatus ei ähvarda ka meile lähedasi tähti.
Muidugi kujutaks gammakiirgus tõsist ohtu biosfäärile ja palju suuremal kaugusel, kuid tuleb meeles pidada, et selle kiirgus ei levi isotroopselt, vaid üsna kitsas voos, ja tõenäosus Ma alt sellesse kukkuda on palju väiksem, kui üldiselt ei märka.
Õppimisperspektiivid
Kosmilised gammakiirguse pursked on peaaegu pool sajandit olnud üks suurimaid astronoomilisi mõistatusi. Nüüd on teadmiste tase nende kohta palju kõrgem tänu vaatlusvahendite (sh kosmosetööriistade), andmetöötluse ja modelleerimise kiirele arengule.
Näiteks mitte nii kaua aega tagasi astuti oluline samm purunemisnähtuse päritolu selgitamisel. Fermi satelliidi andmete analüüsimisel leiti, et gammakiirgust tekitavad ultrarelativistlike jugade prootonite kokkupõrge tähtedevahelise gaasi prootonitega, ning selle protsessi üksikasju täpsustati.
See peaks kasutama kaugete sündmuste järelvalgust galaktikatevahelise gaasi jaotuse täpsemaks mõõtmiseks kuni punanihkega Z=10 määratud kauguseni.
Samal ajalSuur osa pursete olemusest on endiselt teadmata ja me peaksime ootama uute huvitavate faktide ilmnemist ja edasist edu nende objektide uurimisel.
