Загадочные гамма всплески кратко

Обновлено: 05.07.2024

Гамма-всплески (GBR) — самые жесткие явления во Вселенной. Один всплеск высвобождает столько энергии за считанные секунды, сколько Солнце произведет за миллиарды лет своей жизни — или столько, сколько бы произвело миллиард Солнц одновременно.

Однако в большинстве случаев гамма-всплеск достигает нас без других длин волн (включая видимый свет). Такие вспышки в пустом небе были загадкой более 60 лет, когда была обнаружена первая вспышка. В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые перечисляют причины, вызывающие GBR. Они считают, что такие гамма-всплески являются мощными взрывами звезд в далеких галактиках. Однако их свет слишком тусклый, чтобы мы могли видеть галактику. Итак, мы видим вспышку самой умирающей звезды.

Откуда берутся гамма-всплески?

Пока что существует две основные гипотезы, объясняющие образование таких вспышек. Первый вызывает поглощение вещества сверхмассивными черными дырами в центрах галактик. Какая-то материя ускользает от силы притяжения таких объектов. Он пропускает горизонт событий, куда не может ускользнуть даже свет. Обломки вещества начинают вращаться вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света. Это заставляет их излучать гамма-лучи. Тогда галактическое ядро становится чрезвычайно активным (это явление называется активным галактическим ядром или AGN).

Расчеты австралийских астрофизиков показывают, что верно второе. Именно коллапсары ответственны за большинство загадочных гамма-всплесков в пустом небе.

Исследователи подсчитали, сколько таких вспышек должно происходить в разных типах галактик. Это зависит от размера галактики и скорости образования в ней звезд. Чем больше звезд, тем больше гипер- и гамма-всплесков. Гамма-лучи также должны немного отличаться после прохождения через межзвездное вещество.

Веха в объяснении гамма-всплесков

Черные дыры в центрах галактик, вероятно, ответственны за некоторые из гамма-всплесков, которые достигают Земли. Но когда дело доходит до гамма-всплесков в пустом небе, их источником должны быть сверхмассивные коллапсары.

Большой интерес для современной астрофизики и космологии представляет особый класс явлений, получивший название гамма-всплесков. В течение нескольких десятков лет, и особенно активно в последние годы, наука накапливает наблюдательные данные, касающиеся этого масштабного космического феномена. Природа его еще не прояснена окончательно, но существуют достаточно обоснованные теоретические модели, претендующие на ее объяснение.

Понятие о явлении

Гамма-излучение – это самая жесткая область электромагнитного спектра, формируемая фотонами высокой частоты – приблизительно от 6∙10 19 Гц. Длины волн гамма-квантов могут быть сопоставимы с размерами атома, а также могут быть меньше его на несколько порядков.

Гамма-всплеском называют кратковременную и чрезвычайно яркую вспышку космического гамма-излучения. Продолжительность ее может составлять от нескольких десятков миллисекунд до нескольких тысяч секунд; чаще всего регистрируются вспышки длительностью около секунды. Яркость всплесков бывает существенной, в сотни раз выше суммарной яркости неба в мягком гамма-диапазоне. Характерные энергии составляют от нескольких десятков до тысячи килоэлектронвольт на квант излучения.

История изучения

Открытие произошло в 1969 году при обработке информации с американских военных спутников Vela. Выяснилось, что в 1967 году спутники зафиксировали два коротких импульса гамма-излучения, которые сотрудники группы не смогли ни с чем отождествить. В течение нескольких лет количество подобных событий возросло. В 1973 году данные Vela были рассекречены и опубликованы, и началось научное исследование феномена.

В конце 1970-х – начале 1980-х годов в Советском Союзе в ходе серии экспериментов КОНУС было установлено существование коротких всплесков длительностью до 2 секунд, а также доказано, что вспышки гамма-излучения распределяются случайным образом.

В 2004 году была запущена орбитальная гамма-обсерватория Swift, с помощью которой стало возможно быстрое отождествление событий гамма-диапазона с рентгеновскими и оптическими источниками излучения. В настоящее время на орбите работают еще несколько аппаратов, в том числе космический гамма-телескоп им. Ферми.

Классификация

В настоящее время на основе наблюдаемых особенностей выделяют два типа гамма-всплесков:

Далее мы рассмотрим наиболее вероятные причины гамма-всплесков двух основных типов.

Эхо гиперновых

По мнению большинства астрофизиков, длинные всплески являются результатом коллапса чрезвычайно массивных звезд. Существует теоретическая модель, описывающая быстровращающуюся звезду с массой более 30 солнечных масс, которая в конце своей жизни порождает черную дыру. Аккреционный диск у такого объекта – коллапсара – возникает за счет стремительно падающего на черную дыру вещества звездной оболочки. Черная дыра поглощает ее за несколько секунд.

Многие из длинных всплесков гамма-излучения достаточно надежно отождествлены с имеющими необычный спектр сверхновыми в далеких галактиках. Их наблюдение в радиодиапазоне указало на возможное существование ультрарелятивистских струй.

Столкновения нейтронных звезд

Пара сверхмассивных компонентов сначала образует двойную систему, излучающую гравитационные волны. Вследствие этого система теряет энергию, и компоненты ее стремительно падают друг на друга по спиральным траекториям. Слияние их порождает быстровращающийся объект, обладающий сильнейшим магнитным полем особой конфигурации, благодаря которой опять-таки формируются ультрарелятивистские джеты.

Моделирование показывает, что в итоге образуется черная дыра с аккреционным плазменным тороидом, выпадающим на черную дыру за 0,3 секунды. Столько же времени длится существование ультрарелятивистских струй, порожденных аккрецией. Наблюдательные данные в целом согласуются с этой моделью.

В августе 2017 года гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали слияние нейтронных звезд в галактике, удаленной на 130 млн световых лет. Численные параметры килоновой оказались не совсем такими, как предсказывает моделирование. Но гравитационно-волновое событие сопровождалось коротким всплеском в диапазоне гамма-лучей, а также эффектами в диапазонах волн от рентгеновского до инфракрасного.

Странная вспышка

Не так давно аналогичные события уже наблюдались, но они были приблизительно в 8 раз слабее. Так что этот гибридный всплеск пока не укладывается в рамки теоретической модели.

Потенциальная опасность

Гамма-всплески во Вселенной распространены повсеместно и происходят достаточно часто. Возникает закономерный вопрос: представляют ли они опасность для Земли?

Теоретически рассчитаны последствия для биосферы, которые может вызвать интенсивное гамма-облучение. Так, при энерговыделении 10 52 эрг (что соответствует 10 39 МДж или около 3,3∙10 38 кВт∙ч) и расстоянии 10 световых лет эффект от всплеска был бы катастрофическим. Подсчитано, что на каждом квадратном сантиметре поверхности Земли в том полушарии, которое имело бы несчастье попасть под гамма-поток, выделится 10 13 эрг, или 1 МДж, или 0,3 кВт∙ч энергии. Другому полушарию тоже не поздоровится – все живое там погибнет, но чуть позже, вследствие вторичных эффектов.

Однако вряд ли нам угрожает такой кошмар: вблизи Солнца просто нет звезд, способных обеспечить столь чудовищное энерговыделение. Судьба стать черной дырой или нейтронной звездой близким к нам звездам также не грозит.

Конечно, гамма-всплеск представлял бы серьезную угрозу биосфере и на значительно большем расстоянии, однако следует учитывать, что его излучение распространяется не изотропно, а достаточно узким потоком, и вероятность попасть в него у Земли намного меньше, чем вообще его не заметить.

Перспективы изучения

Космические гамма-всплески – это одна из крупнейших астрономических загадок на протяжении уже почти полувека. Сейчас уровень знаний о них намного продвинулся вперед благодаря бурному развитию средств наблюдения (включая космические), обработки данных и моделирования.

Предполагается использовать послесвечение далеких событий для более точных измерений распределения межгалактического газа вплоть до расстояний, определяемых красным смещением Z=10.

Вместе с тем многое в природе всплесков еще остается неизвестным, и нам следует ждать появления новых интересных фактов и дальнейшего прогресса в области изучения этих объектов.

Гамма-всплеск – это катаклизм необозримого масштаба, произошедший в отдаленной галактике в миллиардах световых лет от Земли.

Общие сведения о природе явления

Гамма-всплеск (ГВ) – это внезапное и кратковременное повышение силы космического гамма-излучения. Этот колоссальный импульс энергии рождается в далеких галактиках в момент возникновения черной дыры или вспышке сверхновой. Он вызывает к жизни невероятные вселенские процессы, в десятки раз превосходящие мощность и масштабы выброса сверхновой. Нашей планете повезло, что такие явления, за редким исключением, происходят далеко за пределами Галактики. Существуют и короткие гамма-всплески (ГВ). Механизм их происхождения до конца не понят, но известно, что механизм его отличается от длинного гамма-всплеска. Эти катаклизмы появляются в различных частях Вселенной, на космологических, исчисляющихся миллиардами световых лет, расстояниях от нас.

История открытия: как обнаружили гамма-всплески?

Гамма-всплеск GRB 130427A

Первый гамма-всплеск был определен в 1967 году военным спутником Vela. Парадокс открытия заключен в том, что в конце 60-х гг. правительство США потратило миллионы долларов на создание спутников-шпионов для слежения за возможными испытаниями ядерного оружия в СССР. Приборы, размещенные на них, должны были фиксировать возникающее гамма-излучение. И они срабатывали так часто, что военные генералы усомнились в возможности противника провести столько секретных ядерных взрывов. Примитивные приборы не определяли местоположение излучения и не давали информации, где оно возникло – на земле или в космосе. Поняв, что природа изучаемого катаклизма не связана с СССР, военные потеряли к ней интерес, и в 1973 году были опубликованы имеющиеся данные по этому открытию.

Сбор информации о местоположении явления

Позиции на небе всех гамма-всплесков, обнаруженных в ходе миссии BATSE

После определения космической природы энергетических потоков ученые приступили к поиску источников этого феномена. Сила излучения наводила на мысль о его происхождении в пределах нашей Галактики. Но изучение с помощью BATSE – прибора, созданного для обнаружения гамма-всплесков, установленного на космической обсерватории Комптон, – показало изотропность источников и тенденцию к распределению по всей небесной сфере, а не только в плоскости Млечного пути. Ежедневно фиксировались всплески, но без обнаружения их концентрации в одном месте. Тогда укрепилось мнение о дистанции в миллиарды световых лет между Землей и произошедшими взрывами, создавшими потоки энергии.

Материалы по теме

Открывателем послесвечения в ГВ стала рентгеновская обсерватория BeppoSAX, которую разместили на итальянско-голландском спутнике. Она зафиксировала затихающее излучение в рентгеновском спектре. Это дало возможность телескопам отыскать источник с точностью до секунды. Снимок слабой галактики на этом месте подтвердил теорию о космологической дальности ГВ. С момента запуска в 2004 году спутник вместе с орбитальной обсерваторией Swift стал центром исследований в этой области. На нем установили современную аппаратуру – монитор и телескопы, позволяющие сбор данных в рентгеновском и оптическом спектре. Они предоставили возможность всестороннее изучать гамма-всплески и фиксировать самые значительные события. В 2008 году запустили гамма-телескоп Fermi, который способен отслеживать гамма-кванты в широких диапазонах.

Механизм и классы гамма-всплесков

Наука разделяет этот вид космических энергетических потоков на два типа: короткие и длинные гамма-всплески. Между собой они отличаются временной и спектральной структурой. Механизм появления коротких ГВ связывают с взаимодействием нейтронных звезд и черных дыр. Длинные всплески приписывают эволюции звезды в сверхновую, но не обычную, а перестроившуюся в черную дыру.

Основные характеристики ГВ

У ГВ изучается несколько характеристик: интенсивность излучения, спектр, частота появления, временная структура, направление излучения, суммарное значение потока энергии. Временная структура имеет сложный график. Продолжительность явления меняется в промежутке от сотых частей секунды до сотен секунд. ГВ характеризуются значительной спектральной переменностью в пределах 100-1000 кэВ.

Послесвечение

Гамма-всплеск и вспышка сверхновой. Последовательность изображений, полученных на космическом телескопе Хаббла с 4 декабря 2001 г. по 5 мая 2002 г.

Ученые теоретически объяснили процессы образования эффекта послесвечения. Произошедшее событие (взрыв или слияние звезд) провоцирует возникновение разлетающейся с ультрарелятивистской скоростью оболочки. В отдельных случаях энергетический поток послесвечения сравним с самим всплеском. Его регистрируют, используя оптические и рентгеновские телескопы. Кривые их блеска сложны для изучения, так как они соединяют излучение головной и обратной волн.

Самые значимые ГВ

Материалы по теме

С момента фиксации первого гамма-всплеска в 1967 году ведется их список в хронологическом порядке. В него вошли явления, характеристики которых отличаются от стандартных параметров. Обозначение дат ведется: год, месяц, день.

Поток энергии с наибольшей яркостью среди первых наблюдаемых – GRB 971214.
Ближайший из замеченных всплесков – GRB 980425.
Явление, отличающееся особой яркостью, видимое в оптическом и гамма-диапазоне, – GRB 990123.
Возникший близко к Земле гамма-всплеск с досконально исследованным послесвечением – GRB 030329.
Первый выброс энергии от сверхновой, снятый с начала появления, – GRB 060218.
Ярчайшее послесвечение во Вселенной – GRB 080319.
Гамма-всплеск, произошедший на наибольшем удалении от Солнечной системы из наблюдаемых, – GRB 090423.
Явление, имевшее наибольшую длительность, составляющую временной интервал до 12 месяцев, – GRB 110328.

Интересные факты: последствия ГВ для Земли

Гамма-всплеск, произошедший на расстоянии в несколько миллионов св. лет в пределах нашей Галактики, и направление выброса которого будет направленно на Землю, приведет к частичному или полному исчезновению существующих жизненных форм и видов. С такими катаклизмами ученые связывают массовые вымирания, произошедшие 250 млн. лет назад, – тогда погибло 95% обитавших видов. А еще раньше на 200 млн. лет погибло 60% морских обитателей.

Прогнозировать время энергетического удара гамма-всплеска невозможно. Но частота появления в Галактике таких явлений измеряется миллионами лет. Так что сегодня нет поводов для беспокойства о нашем будущем.

Гамма-всплеск: природа явления

Как обнаружили гамма-всплески

Гамма-всплеск GRB 130427A

Сбор информации о местоположении явления

Позиции на небе всех гамма-всплесков, обнаруженных в ходе миссии BATSE

Сверхновые типа Ia

Механизм и классы гамма-всплесков

Характеристики гамма-всплесков

Послесвечение

Самые значимые гамма-всплески

Магнетар

Поток энергии с наибольшей яркостью среди первых наблюдаемых – GRB 971214.
Ближайший из замеченных всплесков – GRB 980425.
Явление, отличающееся особой яркостью, видимое в оптическом и гамма-диапазоне, – GRB 990123.
Возникший близко к Земле гамма-всплеск с досконально исследованным послесвечением – GRB 030329.
Первый выброс энергии от сверхновой, снятый с начала появления, – GRB 060218.
Ярчайшее послесвечение во Вселенной – GRB 080319.
Гамма-всплеск, произошедший на наибольшем удалении от Солнечной системы из наблюдаемых, – GRB 090423.
Явление, имевшее наибольшую длительность, составляющую временной интервал до 12 месяцев, – GRB 110328.

Последствия гамма-всплесков для Земли

Читайте также: