Гамма-сплеск [1] - масштабний космічний викид енергії вибухового характеру, в даний час спостерігається в віддалених галактиках в самій жорсткій частині електромагнітного спектру. Гамма-сплески (ГВ) - найбільш яскраві електромагнітні події, що відбуваються у Всесвіті. Тривалість типового ГВ становить кілька секунд, але він може тривати і від мілісекунд до години. За початковим сплеском звичайно треба довгоживучі «післясвітіння», що випромінюється на більш довгих хвилях (рентген. УФ. Оптика. ІК і радіо).
Більшість спостережуваних ГВ, імовірно, є порівняно вузький промінь потужного випромінювання, що випускається під час спалаху наднової. коли швидко обертається масивна зірка колапсує. перетворюючись або в нейтронну зірку. або в кварковую зірку. або в чорну діру. Підклас ГВ - «короткі» сплески - мабуть побічний ефект іншого процесу, можливо злиття подвійних нейтронних зірок.
Джерела ГВ знаходяться на відстанях в мільярди світлових років від Землі. що означає їх надзвичайну потужність і рідкість. За кілька секунд спалаху вивільняється стільки енергії, скільки Сонцем виділилося б за 10 мільярдів років світіння. За мільйон років в одній галактиці виявляються лише кілька ГВ [2]. Всі спостережувані ГВ відбуваються поза нашої галактики. крім явища спорідненого класу - м'яких повторюваних гамма-сплесків. які асоціюються з магнетари Чумацького Шляху. Є припущення, що ГВ, що стався в нашій галактиці, міг би привести до масового вимирання всього живого на Землі (крім глибоководних біовідов) [3].
ГВ реєструються приблизно раз в день. Як було встановлено в радянському експерименті «Конус», який здійснювався під керівництвом Євгена Мазеца на космічних апаратах "Венера-11», «Венера-12» і «Прогноз» в 1970-і роки [6]. ГВ з однаковою ймовірністю приходять з будь-якого напрямку, що, разом з експериментально побудованої залежністю Log N - Log S (N - кількість ГВ, що дають близько Землі гамма-променевої потік більший або рівний S), говорило про те, що ГВ мають космологічні природу ( точніше, пов'язані не з Галактикою або не тільки з нею, але відбуваються у всьому Всесвіті. причому ми їх бачимо з віддалених місць Всесвіту). Направлення на джерело оцінювалося за допомогою методу тріангуляції.
Історія Правити
Відкриття гамма-сплесків: епоха «Vela» Правити
Накопичення статистики: епоха BATSE Правити
За допомогою BATSE були підтверджені результати ФТІ про те, що ГВ розподілені по небесній сфері изотропно. а не групуються в якій-небудь області простору, наприклад, в центрі галактики або уздовж площини галактичного екватора [17]. Через плоскої форми Чумацького шляху джерела, що належать нашій галактиці, концентруються у галактичної площини. Відсутність такого властивості у ГВ є сильним доказом їх походження ззовні Чумацького шляху [18] [19] [20]. хоча деякі моделі Чумацького шляху все ще узгоджуються з подібним ізотропним розподілом [21].
Також були встановлені наступні емпіричні властивості ГВ-ів: велика різноманітність кривих блиску (плавні і порізані на дуже малих часових масштабах), бімодальне розподіл по тривалості (короткі - менше 2 секунд - з більш жорстким спектром. І довгі - більше 2 секунд - з більш м'яким спектром).
Десятиліття після відкриття ГВ астрономи шукали складову - будь-який астрономічний об'єкт, розташований на місці недавнього ГВ. Було розглянуто безліч різних класів об'єктів, включаючи білі карлики. пульсари. наднові. кульові зоряні скупчення. квазари. Сейфертовськи галактики і об'єкти BL Lac [22]. Всі ці пошуки не увінчалися успіхом, і навіть в декількох випадках досить хорошого визначення місця розташування ГВ, неможливо було побачити якогось помітного яскравого об'єкта. Що говорить про походження ГВ або від дуже тьмяних зірок, або від надзвичайно далеких галактик [23] [24]. Навіть найточніші розташування обмежувалися областями груп слабких зірок і галактик. Стало ясно, що для кінцевого дозволу координат ГВ потрібні і нові супутники, і більш швидкі комунікації [25].
Відкриття післясвітіння: епоха BeppoSAX Правити
Кілька моделей походження ГВ припускали що після первісного спалаху гамма-променів має відбуватися повільно загасаюче випромінювання на більш довгих хвилях, утворене внаслідок зіткнення речовини, що викидається в результаті спалаху, і міжзоряного газу [26]. Це випромінювання (у всіх діапазонах електромагнітного спектра) стали називати «afterglow» ( «післясвітіння» або «ореол») від ГВ. Ранні пошуки «післясвітіння» виявилися безуспішними, в основному через труднощі визначення точних координат ГВ на довгих хвилях відразу після початкової спалаху.
Потім наземні оптичні телескопи також виявили в цьому районі слабшає нове джерело; таким чином, його становище стало відомо з точністю до секунди. Через деякий час глибокий знімок Хаббловском телескопа виявив на місці колишнього джерела далеку, дуже слабку галактику (z = 0,7). Таким чином, космологічне походження гамма-сплесків було доведено. Надалі післясвітіння спостерігалися у багатьох сплесків, у всіх діапазонах (рентген, ультрафіолет, оптика, ІК, радіо). Червоні зміщення виявилися дуже великими (до 6, в основному в діапазоні 0-4 для довгих гамма-сплесків; для коротких - менше).
Ера швидкого ототожнення: Swift Правити
Відстані і енергетика Правити
З космологічної природи гамма-сплесків ясно, що вони повинні мати велетенську енергію. Наприклад, для події GRB 970228 в припущенні изотропии випромінювання енергія тільки в гамма-діапазоні складає 1,6 × 10 52 ерг, що на порядок більше енергії типовою наднової. Для деяких гамма-сплесків оцінка доходить до 10 54 ерг, тобто порівнянна з енергією спокою Сонця. Причому ця енергія виділяється за дуже короткий час.
Досить очевидно, що вихід енергії відбувається у вигляді коллімірованним потоку (релятивистского джета), в цьому випадку оцінка енергії зменшується пропорційно кутку розкриття конуса джета. Це підтверджується також спостереженнями кривих блиску післясвітіння (див. Нижче). Типова енергія сплеску з урахуванням джетів становить близько 10 51 ерг, але розкид все одно досить великий. Наявність релятивістських джетів означає, що ми бачимо малу частку всіх відбуваються у Всесвіті сплесків. Оцінка їх частоти складає близько одного сплеску на галактику раз в 10 5 років.
Події, які породжують гамма-сплески, настільки потужні, що іноді їх можна спостерігати неозброєним оком, хоча вони відбуваються на відстані в мільярди світлових років від Землі [27].
Механізми гамма-сплесків Правити
Механізм, в результаті якого за такий короткий час в малому обсязі виділяється стільки енергії, до сих пір не цілком ясний. Найбільш ймовірно, що він різний в разі коротких і довгих гамма-сплесків. На сьогоднішній день розрізняють два основні підвиди ГВ: довгі і короткі. мають істотні відмінності в спектрах і наглядових проявах. Так, довгі гамма-сплески іноді супроводжуються вибухом наднової зірки, а короткі - ніколи. Є і дві основні моделі, які пояснюють ці два типи катаклізмів.
Довгі гамма-сплески і наднові Правити
Довгі гамма-сплески, ймовірно, пов'язані з надновими типу Ib / c. У кількох випадках оптично ототожнений джерело через деякий час після сплеску показував характерні для наднових спектри і криві блиску. Крім того, в більшості випадків ототожнення з галактиками вони мали ознаки активного зореутворення.
Далеко не всі наднові типу Ib / c можуть стати причиною гамма-сплеску. Це події, пов'язані з колапсом в чорну діру ядра масивної (> 25 мас Сонця) зірки, позбавленої водневої оболонки, що має великий момент обертання - так звана модель колапсара. За розрахунками, частина ядра перетворюється в чорну діру, оточену потужним аккреційним диском. який протягом декількох секунд провалюється в дірку. Одночасно уздовж осі диска запускаються релятивістські джети, що пробивають оболонку зірки і стають причиною сплеску. Такі випадки повинні бути близько 1% від загального числа наднових (іноді їх називають гіпернової).
Також, термін «гіпернової» використовувався набагато раніше іншими астрофізиками в іншому контексті.
Короткі гамма-сплески і злиття релятивістських об'єктів Правити
Механізм коротких гамма-сплесків, можливо, пов'язаний зі злиттям нейтронних зірок або нейтронної зірки і чорної діри. Через велику моменту імпульсу така система не може відразу цілком перетворитися в чорну діру: утворюється початкова чорна діра і аккреційний диск навколо неї. За розрахунками, характерний час таких подій має становити як раз частки секунд, що підтверджується моделюванням на суперкомп'ютерах [28]. Слід зазначити, що ототожнений короткі гамма-сплески лежать на систематично менших відстанях, ніж довгі, і мають меншу енерговиділення.
Модель, що підходить для опису коротких гамма-сплесків, запропонована радянськими астрофізиками С. І. Блинникова і ін. - злиття подвійних нейтронних зірок. [29]
Післясвітіння: релятивістські джети Правити
На відміну від власне гамма-сплеску, механізми післясвітіння досить добре розроблені теоретично. Передбачається, що деяка подія в центральному об'єкті ініціює утворення ультрарелятивістською розлітається оболонки (Лоренц-фактор Γ порядку 100). За однією моделі, оболонка складається з баріонів (маса її повинна становити 10 -8 - 10 -6 мас Сонця), за іншою - це замагніченій протягом, в якому основна енергія переноситься вектором Пойнтінга.
Вельми істотно, що в багатьох випадках спостерігається сильна змінність як в самому гамма-випромінюванні (на часи порядку дозволу приладу - мілісекунд), так і в рентгенівських і оптичних післясвітіння (вторинні і наступні спалахи, енерговиділення в яких можна порівняти з самим сплеском). До деякої міри це можна пояснити зіткненням декількох ударних хвиль в оболонці, що рухаються з різними швидкостями, але в цілому це явище становить серйозну проблему для будь-якого пояснення механізму роботи центральної машини: потрібно, щоб після першого сплеску вона могла ще давати кілька епізодів енерговиділення, іноді через часи порядку декількох годин.
Криві блиску післясвітіння досить складні, тому що вони складаються з випромінювання головний ударної хвилі, зворотної ударної хвилі, можливого випромінювання наднової і т. Д. Іноді на останніх стадіях випромінювання спостерігається злам кривої блиску (від ступеня -1 до -2), що вважається свідченням на користь наявності релятивістського джета: злам відбувається тоді, коли Γ-фактор падає до значення
1 / θ, де θ - кут розкриття джета.
Можлива небезпека для Землі Правити
Борис Штерн пише: «Візьмемо помірний випадок енерговиділення 10 52 ерг і відстань до сплеску в 3 пса. або 10 світлових років, або 10 19 см - в таких межах від нас знаходяться з десяток зірок. На такій відстані за лічені секунди на кожному квадратному сантиметрі попалася на шляху гамма-квантів планети виділиться 10 13 ерг. Це еквівалентно вибуху атомної бомби на кожному гектарі неба [note 1]. Атмосфера не допомагає: хоч енергія висвітиться в її верхніх шарах, значна частина миттєво дійде до поверхні у вигляді світла. Ясно, що все живе на облученной половині планети буде винищено миттєво, на іншій половині трохи пізніше за рахунок вторинних ефектів. Навіть якщо ми візьмемо в 100 разів більшу відстань (це вже товщина галактичного диска і сотні тисяч зірок), ефект (по одній атомній бомбі на квадрат зі стороною 10 км) буде важким ударом, і тут вже треба серйозно оцінювати - що виживе і чи виживе взагалі що-небудь ». Штерн вважає, що гамма-сплеск в нашій галактиці трапляється в середньому раз на мільйон років. Гамма-сплеск такої зірки, як WR 104. може викликати інтенсивне руйнування озонового шару на половині планети.
Можливо, гамма-сплеск став причиною ордовикских-силурійського вимирання близько 443 млн років тому, коли загинули 60% видів живих істот (і значно більша частка за кількістю особин, так як для виживання виду досить збереження всього декількох особин). [30]
Див. Також Правити
- ↑ Вибуху в 10 14 Дж або близько 23,9 кт. що трохи більше потужності вибуху бомби Товстун.