Il grande interesse per l'astrofisica e la cosmologia moderne è una classe speciale di fenomeni chiamati lampi di raggi gamma. Per diversi decenni, e soprattutto attivamente negli ultimi anni, la scienza ha accumulato dati osservativi su questo fenomeno cosmico su larga scala. La sua natura non è stata ancora del tutto chiarita, ma esistono modelli teorici sufficientemente motivati che pretendono di spiegarla.
Il concetto del fenomeno
La radiazione gamma è la regione più difficile dello spettro elettromagnetico, formata da fotoni ad alta frequenza a partire da circa 6∙1019 Hz. Le lunghezze d'onda dei raggi gamma possono essere paragonabili alle dimensioni di un atomo e possono anche essere più piccole di diversi ordini di grandezza.
L'esplosione di raggi gamma è una breve ed estremamente luminosa esplosione di raggi gamma cosmici. La sua durata può variare da alcune decine di millisecondi a diverse migliaia di secondi; più spesso registratolampeggi della durata di circa un secondo. La luminosità delle esplosioni può essere significativa, centinaia di volte superiore alla luminosità totale del cielo nella gamma gamma morbida. Le energie caratteristiche variano da diverse decine a migliaia di kiloelettronvolt per quanto di radiazione.
Le sorgenti dei bagliori sono distribuite uniformemente sulla sfera celeste. È stato dimostrato che le loro sorgenti sono estremamente lontane, a distanze cosmologiche dell'ordine di miliardi di anni luce. Un' altra caratteristica dei burst è il loro profilo di sviluppo vario e complesso, altrimenti noto come curva di luce. La registrazione di questo fenomeno si verifica quasi ogni giorno.
Cronologia dello studio
La scoperta avvenne nel 1969 durante l'elaborazione delle informazioni dai satelliti militari americani Vela. Si è scoperto che nel 1967 i satelliti hanno registrato due brevi impulsi di radiazioni gamma, che i membri del team non sono stati in grado di identificare con nulla. Nel corso degli anni, il numero di tali eventi è aumentato. Nel 1973 i dati di Vela furono declassificati e pubblicati e iniziò la ricerca scientifica sul fenomeno.
Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80 in Unione Sovietica, una serie di esperimenti KONUS ha stabilito l'esistenza di brevi lampi di durata fino a 2 secondi e ha anche dimostrato che esplosioni di radiazioni gamma sono distribuite casualmente.
Nel 1997 è stato scoperto il fenomeno dell'"afterglow" - il lento decadimento del burst a lunghezze d'onda maggiori. Successivamente, gli scienziati per la prima volta sono riusciti a identificare l'evento con un oggetto ottico: una galassia molto lontana con spostamento verso il rosso.z=0, 7. Ciò ha permesso di confermare la natura cosmologica del fenomeno.
Nel 2004 è stato lanciato l'osservatorio orbitale di raggi gamma Swift, con l'aiuto del quale è diventato possibile identificare rapidamente eventi di gamma gamma con sorgenti di raggi X e radiazioni ottiche. Attualmente, molti altri dispositivi stanno operando in orbita, incluso il telescopio spaziale a raggi gamma. Fermi.
Classificazione
Attualmente, in base alle caratteristiche osservate, si distinguono due tipi di lampi di raggi gamma:
- Lungo, caratterizzato da una durata di 2 secondi o più. Ci sono circa il 70% di tali focolai. La loro durata media è di 20-30 secondi e la durata massima registrata del brillamento GRB 130427A è stata di oltre 2 ore. C'è un punto di vista secondo cui eventi così lunghi (ora ce ne sono tre) dovrebbero essere distinti come un tipo speciale di raffiche ultra lunghe.
- Corto. Si sviluppano e svaniscono in un intervallo di tempo ristretto - meno di 2 secondi, ma in media durano circa 0,3 secondi. Il detentore del record finora è il flash, che è durato solo 11 millisecondi.
In seguito, esamineremo le cause più probabili dei GRB dei due tipi principali.
Echi dell'ipernova
Secondo la maggior parte degli astrofisici, le lunghe esplosioni sono il risultato del collasso di stelle estremamente massicce. Esiste un modello teorico che descrive una stella in rapida rotazione con una massa di oltre 30 masse solari, che alla fine della sua vita dà origine a un buco nero. Il disco di accrescimentoun tale oggetto, un collapsar, sorge a causa della materia dell'involucro stellare che cade rapidamente sul buco nero. Il buco nero lo inghiotte in pochi secondi.
Di conseguenza, si formano potenti getti di gas ultrarelativistici polari - getti. La velocità del deflusso della materia nei getti è vicina alla velocità della luce, la temperatura ei campi magnetici in questa regione sono enormi. Un tale getto è in grado di generare un flusso di radiazioni gamma. Il fenomeno fu chiamato ipernova, per analogia con il termine "supernova".
Molte delle lunghe esplosioni di raggi gamma sono identificate in modo abbastanza affidabile con supernove con uno spettro insolito in galassie lontane. La loro osservazione nel campo radio indicava la possibile esistenza di getti ultrarelativi.
Collisioni di stelle di neutroni
Secondo il modello, si verificano brevi lampi quando stelle di neutroni massicce o una coppia stella di neutroni-buco nero si fondono. Un tale evento ha ricevuto un nome speciale - "kilon", poiché l'energia emessa in questo processo può superare di tre ordini di grandezza il rilascio di energia di nuove stelle.
Una coppia di componenti supermassicci forma prima un sistema binario che emette onde gravitazionali. Di conseguenza, il sistema perde energia e i suoi componenti cadono rapidamente l'uno sull' altro lungo traiettorie a spirale. La loro fusione genera un oggetto in rapida rotazione con un forte campo magnetico di una configurazione speciale, grazie al quale, ancora una volta, si formano getti ultrarelativistici.
La simulazione mostra che il risultato è un buco nero con un toroide plasma in accrescimento che cade sul buco nero in 0,3 secondi. L'esistenza di getti ultrarelativistici generati dall'accrescimento dura la stessa quantità di tempo. I dati osservazionali sono generalmente coerenti con questo modello.
Nell'agosto 2017, i rivelatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo hanno rilevato una fusione di stelle di neutroni in una galassia a 130 milioni di anni luce di distanza. I parametri numerici della kilonova si sono rivelati non proprio gli stessi previsti dalla simulazione. Ma l'evento dell'onda gravitazionale è stato accompagnato da una breve esplosione nella gamma dei raggi gamma, nonché da effetti nei raggi X fino alle lunghezze d'onda dell'infrarosso.
Strano lampo
Il 14 giugno 2006, lo Swift Gamma Observatory ha rilevato un evento insolito in una galassia non troppo massiccia situata a 1,6 miliardi di anni luce di distanza. Le sue caratteristiche non corrispondevano ai parametri dei lampi lunghi e brevi. Il burst di raggi gamma GRB 060614 aveva due impulsi: primo, un impulso intenso di meno di 5 secondi e poi una "coda" di 100 secondi di raggi gamma più morbidi. Non è stato possibile rilevare i segni di una supernova nella galassia.
Non molto tempo fa erano già stati osservati eventi simili, ma erano circa 8 volte più deboli. Quindi questa ondata ibrida non rientra ancora nel quadro del modello teorico.
Ci sono state diverse ipotesi sull'origine del lampo gamma anomalo GRB 060614. In-Innanzitutto, possiamo presumere che sia davvero lungo e che strane caratteristiche siano dovute ad alcune circostanze specifiche. In secondo luogo, il flash era corto e la "coda" dell'evento per qualche motivo ha acquisito una grande lunghezza. In terzo luogo, si può presumere che gli astrofisici abbiano riscontrato un nuovo tipo di esplosioni.
C'è anche un'ipotesi del tutto esotica: sull'esempio di GRB 060614, gli scienziati hanno incontrato il cosiddetto "buco bianco". Questa è un'ipotetica regione dello spazio-tempo che ha un orizzonte degli eventi, ma si muove lungo l'asse temporale opposto a un normale buco nero. In linea di principio, le equazioni della teoria della relatività generale predicono l'esistenza di buchi bianchi, ma non ci sono prerequisiti per la loro identificazione e non ci sono idee teoriche sui meccanismi di formazione di tali oggetti. Molto probabilmente, l'ipotesi romantica dovrà essere abbandonata e concentrarsi sul ricalcolo dei modelli.
Potenziale pericolo
I lampi di raggi gamma nell'Universo sono onnipresenti e si verificano abbastanza spesso. Sorge spontanea una domanda: rappresentano un pericolo per la Terra?
Calcolato in teoria le conseguenze per la biosfera, che può causare intense radiazioni gamma. Quindi, con un rilascio di energia di 1052 erg (che corrisponde a 1039 MJ o circa 3.3∙1038 kWh) e una distanza di 10 anni luce, l'effetto dell'esplosione sarebbe catastrofico. È stato calcolato che su ogni centimetro quadrato della superficie terrestre nell'emisfero che avrebbe la sfortuna di essere colpito dai raggi gammaflusso, verranno rilasciati 1013 erg, o 1 MJ, o 0,3 kWh di energia. Neanche l' altro emisfero avrà problemi: tutti gli esseri viventi moriranno lì, ma un po' più tardi, a causa di effetti secondari.
Tuttavia, è improbabile che un tale incubo ci minacci: semplicemente non ci sono stelle vicino al Sole in grado di fornire un rilascio di energia così mostruoso. Il destino di diventare un buco nero o una stella di neutroni non minaccia nemmeno le stelle vicine a noi.
Ovviamente, un lampo di raggi gamma rappresenterebbe una seria minaccia per la biosfera e ad una distanza molto maggiore, tuttavia, va tenuto presente che la sua radiazione non si propaga in modo isotropico, ma in un flusso piuttosto stretto, e la probabilità di cadere in esso dalla Terra è molto inferiore a quella che in generale non si nota.
Prospettive di apprendimento
I lampi di raggi gamma cosmici sono stati uno dei più grandi misteri astronomici per quasi mezzo secolo. Ora il livello di conoscenza su di loro è molto avanzato grazie al rapido sviluppo di strumenti di osservazione (compresi quelli spaziali), elaborazione dati e modellazione.
Ad esempio, non molto tempo fa è stato compiuto un passo importante per chiarire l'origine del fenomeno burst. Analizzando i dati dal satellite Fermi, si è scoperto che la radiazione gamma è generata da collisioni di protoni di getti ultrarelativistici con protoni di gas interstellare, e i dettagli di questo processo sono stati perfezionati.
Si suppone che utilizzi il bagliore residuo di eventi distanti per misurazioni più accurate della distribuzione del gas intergalattico fino a distanze determinate dal redshift Z=10.
Allo stesso tempoGran parte della natura delle esplosioni è ancora sconosciuta e dovremmo attendere l'emergere di nuovi fatti interessanti e ulteriori progressi nello studio di questi oggetti.
