עניין רב באסטרופיזיקה ובקוסמולוגיה המודרנית הוא מחלקה מיוחדת של תופעות הנקראות התפרצויות קרני גמא. במשך כמה עשורים, ובמיוחד באופן פעיל בשנים האחרונות, המדע צובר נתונים תצפיתיים לגבי תופעה קוסמית בקנה מידה גדול זה. טיבו טרם הובהר במלואו, אך ישנם מודלים תיאורטיים מבוססים דיים המתיימרים להסביר זאת.
המושג של התופעה
קרינת גמא היא האזור הקשה ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי, שנוצר על ידי פוטונים בתדר גבוה מ-6∙1019 הרץ בקירוב. אורכי הגל של קרני גמא יכולים להיות דומים לגודל של אטום, ויכולים גם להיות קטנים בכמה סדרי גודל.
התפרצות קרני גמא היא פרץ קצר ובהיר במיוחד של קרני גמא קוסמיות. משך הזמן שלו יכול להיות מכמה עשרות אלפיות שניות ועד כמה אלפי שניות; לרוב רשוםהבזקים שנמשכים כשנייה. הבהירות של התפרצויות יכולה להיות משמעותית, גבוהה מאות מונים מהבהירות הכוללת של השמים בטווח הגמא הרך. אנרגיות אופייניות נעות בין כמה עשרות לאלפי קילו-אלקטרון-וולט לקוונטי קרינה.
מקורות של התלקחויות מפוזרים באופן שווה על פני הכדור השמימי. הוכח שמקורותיהם רחוקים ביותר, במרחקים קוסמולוגיים בסדר גודל של מיליארדי שנות אור. מאפיין נוסף של התפרצויות הוא פרופיל הפיתוח המגוון והמורכב שלהם, הידוע גם בשם עקומת האור. רישום של תופעה זו מתרחש כמעט כל יום.
היסטוריית מחקר
הגילוי התרחש בשנת 1969 תוך כדי עיבוד מידע מלווייני Vela של הצבא האמריקאי. התברר שבשנת 1967 הקליטו הלוויינים שני פולסים קצרים של קרינת גמא, שאנשי הצוות לא יכלו לזהות איתם דבר. במהלך השנים גדל מספרם של אירועים כאלה. בשנת 1973, הנתונים של ולה בוטלו ופורסמו, והחל מחקר מדעי על התופעה.
בסוף שנות ה-70 ותחילת שנות ה-80 בברית המועצות, סדרה של ניסויי KONUS ביססה את קיומם של התפרצויות קצרות באורך של עד 2 שניות, וכן הוכיחה שהתפרצויות של קרינת גמא מופצות באופן אקראי.
בשנת 1997 התגלתה תופעת ה"אחר-זוהר" - דעיכה איטית של הפרץ באורכי גל ארוכים יותר. לאחר מכן, מדענים הצליחו לראשונה לזהות את האירוע עם עצם אופטי - גלקסיית הסטה לאדום רחוקה מאוד.z=0, 7. זה איפשר לאשר את האופי הקוסמולוגי של התופעה.
בשנת 2004 הושק מצפה הכוכבים של קרני הגמא של Swift, בעזרתו ניתן היה לזהות במהירות אירועי טווח גמא באמצעות מקורות רנטגן וקרינה אופטית. נכון לעכשיו, מספר מכשירים נוספים פועלים במסלול, כולל טלסקופ החלל קרני גמא. פרמי.
Classification
כיום, בהתבסס על המאפיינים שנצפו, מובחנים שני סוגים של התפרצויות קרני גמא:
- Long, מאופיין באורך של 2 שניות או יותר. יש בערך 70% מהתפרצויות כאלה. משך הזמן הממוצע שלהם הוא 20-30 שניות, ומשך הזמן המרבי שנרשם של התלקחות GRB 130427A היה יותר משעתיים. ישנה נקודת מבט לפיה יש להבחין באירועים ארוכים כאלה (כיום יש שלושה מהם) כסוג מיוחד של פרצים ארוכים במיוחד.
- קצר. הם מתפתחים ודוהים בטווח זמן צר - פחות מ-2 שניות, אך בממוצע נמשכים כ-0.3 שניות. מחזיק השיא עד כה הוא ההבזק, שנמשך רק 11 מילישניות.
לאחר מכן, נבחן את הגורמים הסבירים ביותר ל-GRBs משני הסוגים העיקריים.
הדי היפרנובה
לפי רוב האסטרופיזיקאים, התפרצויות ארוכים הם תוצאה של קריסת כוכבים מאסיביים במיוחד. קיים מודל תיאורטי המתאר כוכב מסתובב במהירות עם מסה של יותר מ-30 מסות שמש, שבסוף חייו מולידה חור שחור. דיסק ההצטברותעצם כזה, ממוטט, מתעורר בגלל חומר המעטפת הכוכבית הנופלת במהירות על החור השחור. החור השחור בולע אותו תוך כמה שניות.
כתוצאה מכך נוצרים סילוני גז אולטרה-יחסותיים קוטביים רבי עוצמה - סילונים. מהירות יציאת החומר בסילונים קרובה למהירות האור, הטמפרטורה והשדות המגנטיים באזור זה עצומים. סילון כזה מסוגל לייצר שטף של קרינת גמא. התופעה כונתה היפרנובה, באנלוגיה למונח "סופרנובה".
רבים מההתפרצויות הארוכות של קרני גמא מזוהות בצורה מהימנה למדי עם סופרנובות בעלות ספקטרום יוצא דופן בגלקסיות רחוקות. התצפית שלהם בטווח הרדיו הצביעה על קיומם אפשרי של סילונים אולטרה-יחסותיים.
התנגשויות כוכבי ניוטרון
לפי המודל, התפרצויות קצרות מתרחשות כאשר כוכבי נויטרונים מסיביים או זוג כוכב נייטרונים-חור שחור מתמזגים. אירוע כזה קיבל שם מיוחד - "קילון", שכן האנרגיה הנפלטת בתהליך זה יכולה לעלות על שחרור האנרגיה של כוכבים חדשים בשלושה סדרי גודל.
זוג רכיבים סופר-מסיביים יוצר תחילה מערכת בינארית הפולטת גלי כבידה. כתוצאה מכך, המערכת מאבדת אנרגיה, ומרכיביה נופלים במהירות זה על זה לאורך מסלולים ספירליים. המיזוג שלהם יוצר עצם מסתובב במהירות עם שדה מגנטי חזק בעל תצורה מיוחדת, שבגללו, שוב, נוצרים סילונים אולטרה-יחסותיים.
ההדמיה מראה שהתוצאה היא חור שחור עם טורואיד פלזמה מצטבר הנופל על החור השחור תוך 0.3 שניות. קיומם של סילונים אולטרה-יחסיניים הנוצרים על ידי הצטברות נמשך אותו פרק זמן. נתוני התצפית תואמים בדרך כלל למודל זה.
באוגוסט 2017, גלאי גלי כבידה LIGO ובתולה זיהו מיזוג כוכבי נויטרונים בגלקסיה במרחק של 130 מיליון שנות אור. הפרמטרים המספריים של הקילונובה התבררו כלא זהים כפי שחוזה הסימולציה. אבל אירוע גלי הכבידה לווה בהתפרצות קצרה בטווח קרני גמא, כמו גם השפעות של אורכי גל של קרני רנטגן עד אינפרא אדום.
פלאש מוזר
ב-14 ביוני 2006, מצפה הכוכבים סוויפט גמא זיהה אירוע חריג בגלקסיה לא מסיבית מדי שנמצאת במרחק של 1.6 מיליארד שנות אור משם. המאפיינים שלו לא תאמו את הפרמטרים של הבזקים ארוכים וקצרים כאחד. להתפרצות קרני הגמא GRB 060614 היו שני פולסים: ראשית, דופק קשה באורך של פחות מ-5 שניות, ולאחר מכן "זנב" של 100 שניות של קרני גמא רכות יותר. לא ניתן היה לזהות סימנים של סופרנובה בגלקסיה.
לפני זמן לא רב כבר נצפו אירועים דומים, אבל הם היו חלשים בערך פי 8. אז הזינוק ההיברידי הזה עדיין לא מתאים למסגרת המודל התיאורטי.
היו מספר השערות לגבי מקורו של התפרצות קרינת גמא חריגה GRB 060614. ב-ראשית, אנו יכולים להניח שזה באמת ארוך, ותכונות מוזרות נובעות מכמה נסיבות ספציפיות. שנית, ההבזק היה קצר, וה"זנב" של האירוע קיבל משום מה אורך גדול. שלישית, ניתן להניח שאסטרופיזיקאים נתקלו בסוג חדש של התפרצויות.
יש גם השערה אקזוטית לחלוטין: בדוגמה של GRB 060614, מדענים נתקלו במה שנקרא "חור לבן". זהו אזור היפותטי של מרחב-זמן שיש לו אופק אירועים, אך נע לאורך ציר הזמן המנוגד לחור שחור רגיל. באופן עקרוני, המשוואות של תורת היחסות הכללית מנבאות את קיומם של חורים לבנים, אך אין תנאים מוקדמים לזיהוים ואין רעיונות תיאורטיים לגבי מנגנוני היווצרותם של עצמים כאלה. סביר להניח, יהיה צורך לזנוח את ההשערה הרומנטית ולהתמקד בחישוב מחדש של מודלים.
סכנה פוטנציאלית
התפרצויות קרני גמא ביקום נמצאים בכל מקום ומתרחשים לעתים קרובות למדי. נשאלת שאלה טבעית: האם הם מהווים סכנה לכדור הארץ?
חישב תיאורטית את ההשלכות על הביוספרה, שעלולה לגרום לקרינת גמא עזה. אז, עם שחרור אנרגיה של 1052 erg (שמתאים ל-1039 MJ או בערך 3.3∙1038 קוט ש) ומרחק של 10 שנות אור, השפעת ההתפרצות תהיה קטסטרופלית. זה היה חישוב שעל כל סנטימטר מרובע של פני כדור הארץ בחצי הכדור יתכן ויפגע מקרני גמאזרימה, ישוחרר 1013 erg, או 1 MJ, או 0.3 קילוואט-שעה של אנרגיה. גם ההמיספרה השנייה לא תהיה בצרות - כל היצורים החיים ימותו שם, אבל קצת מאוחר יותר, בגלל השפעות משניות.
עם זאת, לא סביר שסיוט כזה יאיים עלינו: פשוט אין כוכבים ליד השמש שיכולים לספק שחרור אנרגיה מפלצתי כל כך. גורל הפיכתו לחור שחור או לכוכב נויטרונים אינו מאיים גם על כוכבים קרובים אלינו.
כמובן, פרץ קרני גמא יהווה איום רציני על הביוספרה ובמרחק הרבה יותר גדול, עם זאת, יש לזכור שקרינתו אינה מתפשטת איזוטרופית, אלא בזרם צר למדי., וההסתברות ליפול לתוכו מכדור הארץ היא הרבה פחות מאשר באופן כללי לא לשים לב.
פרספקטיבות למידה
התפרצויות קרני גמא קוסמיות הן אחת התעלומות האסטרונומיות הגדולות ביותר כבר כמעט חצי מאה. כעת רמת הידע עליהם מתקדמת בהרבה בשל הפיתוח המהיר של כלי תצפית (כולל חלל), עיבוד נתונים ומידול.
לדוגמה, לפני זמן לא רב נעשה צעד חשוב בבירור מקורה של תופעת ההתפרצות. בעת ניתוח נתונים מלוויין פרמי, נמצא שקרינת גמא נוצרת מהתנגשויות של פרוטונים של סילונים אולטרה-יחסותיים עם פרוטונים של גז בין-כוכבי, והפרטים של תהליך זה שוכללו.
הוא אמור להשתמש בזוהר האחורי של אירועים רחוקים למדידות מדויקות יותר של התפלגות הגז הבין-גלקטי עד למרחקים שנקבעים על ידי ההיסט לאדום Z=10.
במקבילחלק ניכר מאופי ההתפרצויות עדיין לא ידוע, ועלינו לחכות להופעת עובדות מעניינות חדשות ולהתקדמות נוספת בחקר החפצים הללו.
