Großes Interesse für die moderne Astrophysik und Kosmologie ist eine spezielle Klasse von Phänomenen, die Gammastrahlenausbrüche genannt werden. Seit mehreren Jahrzehnten und besonders aktiv in den letzten Jahren sammelt die Wissenschaft Beobachtungsdaten zu diesem großräumigen kosmischen Phänomen. Ihre Natur ist noch nicht vollständig aufgeklärt, aber es gibt hinreichend fundierte theoretische Modelle, die den Anspruch erheben, sie zu erklären.
Das Konzept des Phänomens
Gammastrahlung ist die härteste Region des elektromagnetischen Spektrums, gebildet durch hochfrequente Photonen von etwa 6∙1019 Hz. Die Wellenlängen von Gammastrahlen können mit der Größe eines Atoms vergleichbar sein, können aber auch um mehrere Größenordnungen kleiner sein.
Gammastrahlenausbruch ist ein kurzer und extrem heller Ausbruch kosmischer Gammastrahlen. Seine Dauer kann von mehreren zehn Millisekunden bis zu mehreren tausend Sekunden betragen; am häufigsten registriertBlitze, die etwa eine Sekunde dauern. Die Helligkeit von Ausbrüchen kann erheblich sein, Hunderte Male höher als die Gesamthelligkeit des Himmels im weichen Gammabereich. Charakteristische Energien reichen von mehreren zehn bis zu tausend Kiloelektronenvolt pro Strahlungsquant.
Eruptionsquellen sind gleichmäßig über die Himmelskugel verteilt. Es ist erwiesen, dass ihre Quellen extrem weit entfernt sind, in kosmologischen Entfernungen in der Größenordnung von Milliarden von Lichtjahren. Ein weiteres Merkmal von Bursts ist ihr vielfältiges und komplexes Entwicklungsprofil, das auch als Lichtkurve bekannt ist. Die Registrierung dieses Phänomens erfolgt fast täglich.
Studiengeschichte
Die Entdeckung erfolgte 1969 während der Verarbeitung von Informationen der amerikanischen Militärsatelliten Vela. Es stellte sich heraus, dass die Satelliten 1967 zwei kurze Impulse von Gammastrahlung aufzeichneten, die die Teammitglieder mit nichts identifizieren konnten. Im Laufe der Jahre hat die Zahl solcher Veranst altungen zugenommen. 1973 wurden Velas Daten freigegeben und veröffentlicht, und die wissenschaftliche Erforschung des Phänomens begann.
In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren stellte eine Reihe von KONUS-Experimenten in der Sowjetunion die Existenz kurzer Ausbrüche von bis zu 2 Sekunden Dauer fest und bewies auch, dass Ausbrüche von Gammastrahlung zufällig verteilt sind.
1997 wurde das Phänomen des "Nachglühens" entdeckt - das langsame Abklingen des Bursts bei längeren Wellenlängen. Danach gelang es den Wissenschaftlern erstmals, das Ereignis mit einem optischen Objekt zu identifizieren - einer sehr weit entfernten Rotverschiebungsgalaxie.z=0, 7. Dadurch konnte die kosmologische Natur des Phänomens bestätigt werden.
Im Jahr 2004 wurde das Orbital-Gammastrahlen-Observatorium Swift gestartet, mit dessen Hilfe es möglich wurde, Ereignisse im Gammabereich mit Röntgen- und optischen Strahlungsquellen schnell zu identifizieren. Derzeit sind mehrere weitere Geräte im Orbit in Betrieb, darunter das Gammastrahlen-Weltraumteleskop. Fermi.
Klassifizierung
Derzeit werden basierend auf den beobachteten Merkmalen zwei Arten von Gammablitzen unterschieden:
- Lang, gekennzeichnet durch eine Dauer von 2 Sekunden oder mehr. Es gibt etwa 70% solcher Ausbrüche. Ihre durchschnittliche Dauer beträgt 20–30 Sekunden, und die maximal aufgezeichnete Dauer der Fackel GRB 130427A betrug mehr als 2 Stunden. Es gibt eine Sichtweise, nach der solche langen Ereignisse (es gibt mittlerweile drei davon) als eine spezielle Art von ultralangen Bursts zu unterscheiden sind.
- Kurz. Sie entwickeln und verblassen in einem engen Zeitrahmen - weniger als 2 Sekunden, dauern aber im Durchschnitt etwa 0,3 Sekunden. Rekordh alter bisher ist der Blitz, der nur 11 Millisekunden dauerte.
Als nächstes werden wir uns die wahrscheinlichsten Ursachen für GRBs der beiden Haupttypen ansehen.
Hypernova-Echos
Nach Ansicht der meisten Astrophysiker sind lange Explosionen das Ergebnis des Kollapses extrem massereicher Sterne. Es gibt ein theoretisches Modell, das einen schnell rotierenden Stern mit einer Masse von mehr als 30 Sonnenmassen beschreibt, der am Ende seines Lebens ein Schwarzes Loch entstehen lässt. Die AkkretionsscheibeEin solches Objekt, ein Kollapsar, entsteht, weil die Materie der Sternhülle schnell auf das Schwarze Loch fällt. Das Schwarze Loch verschluckt es in wenigen Sekunden.
Als Ergebnis entstehen mächtige polare ultrarelativistische Gasjets - Jets. Die Geschwindigkeit des Materieausflusses in Jets ist nahe der Lichtgeschwindigkeit, die Temperatur und die Magnetfelder in dieser Region sind enorm. Ein solcher Strahl ist in der Lage, einen Fluss von Gammastrahlung zu erzeugen. Das Phänomen wurde in Anlehnung an den Begriff „Supernova“als Hypernova bezeichnet.
Viele der langen Ausbrüche von Gammastrahlen werden ziemlich zuverlässig mit Supernovae mit einem ungewöhnlichen Spektrum in fernen Galaxien identifiziert. Ihre Beobachtung im Radiobereich deutete auf die mögliche Existenz ultrarelativistischer Jets hin.
Kollisionen von Neutronensternen
Dem Modell zufolge treten kurze Ausbrüche auf, wenn massereiche Neutronensterne oder ein Paar aus Neutronenstern und Schwarzem Loch verschmelzen. Ein solches Ereignis hat einen besonderen Namen erh alten - "Kilo", da die dabei abgegebene Energie die Energiefreisetzung neuer Sterne um drei Größenordnungen übersteigen kann.
Ein Paar supermassereicher Komponenten bildet zunächst ein binäres System, das Gravitationswellen aussendet. Infolgedessen verliert das System Energie und seine Komponenten fallen entlang spiralförmiger Bahnen schnell aufeinander. Ihre Verschmelzung erzeugt ein schnell rotierendes Objekt mit einem starken Magnetfeld spezieller Konfiguration, wodurch wiederum ultrarelativistische Jets entstehen.
Simulation zeigt, dass das Ergebnis ein Schwarzes Loch mit einem Akkretions-Plasma-Toroid ist, der in 0,3 Sekunden auf das Schwarze Loch fällt. Ebenso lange dauert die Existenz ultrarelativistischer Jets, die durch Akkretion erzeugt werden. Die Beobachtungsdaten stimmen im Allgemeinen mit diesem Modell überein.
Im August 2017 entdeckten die Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo eine Neutronensternverschmelzung in einer 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie. Die numerischen Parameter der Kilonova entsprachen nicht ganz den Vorhersagen der Simulation. Aber das Gravitationswellenereignis wurde von einem kurzen Ausbruch im Gammastrahlenbereich sowie von Effekten im Röntgen- bis Infrarotbereich begleitet.
Seltsamer Blitz
Am 14. Juni 2006 entdeckte das Swift Gamma Observatory ein ungewöhnliches Ereignis in einer nicht allzu massereichen Galaxie, die 1,6 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt. Seine Eigenschaften entsprachen nicht den Parametern von langen und kurzen Blitzen. Der Gammastrahlenausbruch GRB 060614 hatte zwei Pulse: zuerst einen harten Puls von weniger als 5 Sekunden Länge und dann einen 100-Sekunden-„Schweif“aus weicheren Gammastrahlen. Anzeichen einer Supernova in der Galaxie konnten nicht entdeckt werden.
Vor nicht allzu langer Zeit wurden ähnliche Ereignisse bereits beobachtet, aber sie waren etwa 8-mal schwächer. Diese Hybridwelle passt also noch nicht in den Rahmen des theoretischen Modells.
Es gab mehrere Hypothesen über den Ursprung des anomalen Gammastrahlenausbruchs GRB 060614. In-Erstens können wir davon ausgehen, dass es wirklich lang ist und seltsame Merkmale auf bestimmte Umstände zurückzuführen sind. Zweitens war der Blitz kurz und der "Schwanz" des Ereignisses nahm aus irgendeinem Grund eine große Länge an. Drittens ist davon auszugehen, dass Astrophysiker auf eine neue Art von Bursts gestoßen sind.
Es gibt auch eine völlig exotische Hypothese: Am Beispiel von GRB 060614 stießen Wissenschaftler auf das sogenannte "Weiße Loch". Dies ist eine hypothetische Region der Raumzeit, die einen Ereignishorizont hat, sich aber entlang der Zeitachse entgegengesetzt zu einem normalen Schwarzen Loch bewegt. Im Prinzip sagen die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Weißen Löchern voraus, aber es gibt keine Voraussetzungen für ihre Identifizierung und keine theoretischen Vorstellungen über die Mechanismen der Entstehung solcher Objekte. Höchstwahrscheinlich muss man die romantische Hypothese aufgeben und sich auf die Neuberechnung von Modellen konzentrieren.
Potenzielle Gefahr
Gammastrahlenausbrüche im Universum sind allgegenwärtig und treten ziemlich häufig auf. Eine natürliche Frage stellt sich: Stellen sie eine Gefahr für die Erde dar?
Theoretisch berechnet die Folgen für die Biosphäre, die intensive Gammastrahlung verursachen können. Bei einer Energiefreisetzung von 1052 erg (was 1039 MJ oder etwa 3,3∙1038 entspricht kWh) und einer Entfernung von 10 Lichtjahren, wäre die Wirkung des Ausbruchs katastrophal. Es wurde errechnet, dass auf jedem Quadratzentimeter der Erdoberfläche in der Hemisphäre das Pech hätte, von Gammastrahlen getroffen zu werdenDurchfluss, 1013 erg oder 1 MJ oder 0,3 kWh Energie werden freigesetzt. Die andere Hemisphäre wird auch nicht in Schwierigkeiten geraten - alle Lebewesen werden dort sterben, aber etwas später aufgrund von Sekundäreffekten.
Ein solcher Albtraum wird uns jedoch wahrscheinlich nicht bedrohen: Es gibt einfach keine Sterne in der Nähe der Sonne, die eine so ungeheure Energie freisetzen können. Das Schicksal, ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern zu werden, droht auch uns nahen Sternen nicht.
Natürlich wäre ein Gammastrahlenausbruch eine ernsthafte Bedrohung für die Biosphäre und in viel größerer Entfernung, allerdings sollte man bedenken, dass sich seine Strahlung nicht isotrop ausbreitet, sondern in einem eher schmalen Strahl, und die Wahrscheinlichkeit, von der Erde hineinzufallen, ist viel geringer als im Allgemeinen nicht bemerkt.
Lernperspektiven
Kosmische Gammastrahlenausbrüche sind seit fast einem halben Jahrhundert eines der größten astronomischen Mysterien. Jetzt ist der Wissensstand über sie aufgrund der schnellen Entwicklung von Beobachtungsinstrumenten (einschließlich Weltrauminstrumenten), Datenverarbeitung und Modellierung sehr weit fortgeschritten.
Zum Beispiel wurde vor nicht allzu langer Zeit ein wichtiger Schritt unternommen, um den Ursprung des Burst-Phänomens zu klären. Bei der Analyse von Daten des Fermi-Satelliten wurde festgestellt, dass Gammastrahlung durch Kollisionen von Protonen ultrarelativistischer Jets mit Protonen von interstellarem Gas erzeugt wird, und die Details dieses Prozesses wurden verfeinert.
Es soll das Nachleuchten ferner Ereignisse für genauere Messungen der Verteilung von intergalaktischem Gas bis zu Entfernungen nutzen, die durch die Rotverschiebung Z=10 bestimmt werden.
Zur gleichen ZeitVieles über die Natur von Bursts ist noch unbekannt, und wir sollten auf das Auftauchen neuer interessanter Fakten und weitere Fortschritte bei der Untersuchung dieser Objekte warten.
