Среда22 августа
Образование

Гамма-всплеск: определение, причины возникновения, последствия

14 мая 2018

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∙1019 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.

Распределение гамма-всплесков

Источники вспышек распределяются по небесной сфере равномерно. Доказано, что источники их находятся крайне далеко, на космологических расстояниях порядка миллиардов световых лет. Еще одна особенность всплесков – разнообразный и сложный профиль развития, иначе называемый кривой блеска. Регистрация этого явления происходит практически каждый день.

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 1997 году было открыто явление «послесвечения» – медленного затухания всплеска на более длинных волнах. После этого ученые впервые сумели отождествить событие с оптическим объектом – очень далекой галактикой с красным смещением z=0,7. Это позволило подтвердить космологическую природу феномена.

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.

Видео по теме

Классификация

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

  • Длинные, характеризующиеся продолжительностью от 2 секунд. Таких вспышек насчитывается около 70 %. Средняя длительность их – 20–30 секунд, а максимальная зарегистрированная продолжительность вспышки GRB 130427A составила более 2 часов. Есть точка зрения, согласно которой настолько долгие события (их сейчас насчитывается три) следует выделить в особый тип ультрадлинных всплесков.
  • Короткие. Они развиваются и затухают в узких временных рамках – менее 2 секунд, в среднем же продолжаются около 0,3 секунд. Рекордсменом пока является вспышка, продолжавшаяся всего 11 миллисекунд.
Связь сверхновой с гамма-всплеском

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.

В результате формируются мощные полярные ультрарелятивистские газовые струи – джеты. Скорость истечения вещества в джетах близка к скорости света, температуры, и магнитные поля в этой области огромны. Такая струя способна генерировать поток гамма-излучения. Явление получило название гиперновой, по аналогии с термином «сверхновая».

Гамма-всплеск с кривой блеска

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

Согласно модели, возникновение коротких всплесков происходит при слиянии массивных нейтронных звезд или пары нейтронная звезда – черная дыра. Такое событие получило специальное название – «килоновая», поскольку излучаемая в этом процессе энергия может на три порядка превосходить энерговыделение новых 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.

Слияние нейтронных звезд

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.

Происхождение и структура гамма-всплеска

Странная вспышка

14 июня 2006 года гамма-обсерватория Swift зарегистрировала необычное событие в не слишком массивной галактике, расположенной на расстоянии 1,6 млрд световых лет. Характеристики его не соответствовали параметрам как длинных, так и коротких вспышек. Гамма-всплеск GRB 060614 имел два импульса: сначала жесткий импульс длительностью менее 5 секунд, а затем – 100-секундный «хвост» из более мягких гамма-квантов. Признаков сверхновой в галактике обнаружить не удалось.

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.

Гипотез по поводу происхождения аномального гамма-всплеска GRB 060614 возникло несколько. Во-первых, можно предположить, что он действительно длинный, а странные особенности обусловлены какими-либо специфическими обстоятельствами. Во-вторых, вспышка была короткой, а «хвост» события почему-либо приобрел большую протяженность. В-третьих, можно допустить, что астрофизики столкнулись с новым типом всплесков.

Есть и совсем экзотическая гипотеза: на примере GRB 060614 ученые столкнулись с так называемой «белой дырой». Это гипотетическая область пространства-времени, обладающая горизонтом событий, но движущаяся по оси времени противоположно нормальной черной дыре. В принципе уравнения общей теории относительности предсказывают существование белых дыр, однако никаких предпосылок их отождествления и никаких теоретических представлений о механизмах формирования подобных объектов нет. Скорее всего, романтическую гипотезу придется отставить и сосредоточиться на пересчете моделей.

Галактика с гамма-всплеском GRB 060614

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 1052 эрг (что соответствует 1039 МДж или около 3,3∙1038 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 1013 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.

Оптическое послесвечение гамма-всплеска

Например, не так давно сделан важный шаг в прояснении происхождения феномена всплесков. При анализе данных спутника «Ферми» было установлено, что гамма-излучение генерируется при столкновениях протонов ультрарелятивистских джетов с протонами межзвездного газа, и уточнены детали этого процесса.

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.

Источник: fb.ru
Комментарии
Ваше имя:
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить

Похожие материалы
Профицитный бюджет - это... Определение, причины возникновения. Что такое профицит? Новости и общество
Профицитный бюджет - это... Определение, причины возникновения. Что такое профицит?

Считается, что профицитный бюджет - это хорошо для государства. Так или это? Чтобы ответить на данный вопрос, необходимо знать определение. Итак, что такое профицит? Далее пойдет речь об этом.Что такое профици...

Разрушительные ураганы в России: причины возникновения, последствия Новости и общество
Разрушительные ураганы в России: причины возникновения, последствия

Люди, живущие на планете в разные эпохи, неоднократно сталкивались с разнородными катастрофами, не последнее место среди которых занимают торнадо и их производные. Ветер – стихия очень мощная, с этим трудно спор...

Что такое чартизм? Определение, причины возникновения, значение, результаты чартизма Образование
Что такое чартизм? Определение, причины возникновения, значение, результаты чартизма

Чартизм возник в Англии и пережил свой расцвет в 30-е и 40-е годы XIX века. Это было движение социального и политического характера.Причины чартизмаТермин «чартизм» возник после того, когда...

Склерокистоз яичников: что это такое, причины возникновения, симптомы, диагностика, лечение, последствия Здоровье
Склерокистоз яичников: что это такое, причины возникновения, симптомы, диагностика, лечение, последствия

Примерно в пяти процентах всех случаев гинекологических заболеваний врачи ставят диагноз "склерокистоз яичников". Что это такое, представляет себе не каждая женщина, поэтому многие воспринимают такой диагноз как приго...

Децидуальный полип: причина возникновения, диагностика, лечение и последствия Здоровье
Децидуальный полип: причина возникновения, диагностика, лечение и последствия

Часто женщины выходят из гинекологического кабинета с диагнозом «децидуальный полип». Более того, с подобными проблемами сталкиваются именно беременные пациентки. Естественно, термин этот не внушает довери...

От чего бывает сахарный диабет: причины возникновения, лечение, профилактика, последствия Здоровье
От чего бывает сахарный диабет: причины возникновения, лечение, профилактика, последствия

От чего бывает сахарный диабет? Основу заболевания составляет нарушение обмена углеводов и воды. Как итог, функция поджелудочной железы понижена. Именно этот орган отвечает за выработку гормона под названием инсулин.

Отравление - это... Определение, классификация, причины, лечение, последствия Здоровье
Отравление - это... Определение, классификация, причины, лечение, последствия

При попадании в организм ядов происходит нарушение работы его органов, что может привести к тяжелым последствиям. Отравление – это нарушение жизненных функций организма вследствие попадания токсических веществ. ...

Белый лишай: причины возникновения, лечение, последствия Здоровье
Белый лишай: причины возникновения, лечение, последствия

У многих людей слово «лишай» ассоциируется с опасным заболеванием. На самом деле такое мнение ошибочно. Под этим термином обычно подразумевают целую группу патологий кожного покрова. Из материалов данной с...

Шишка на десне, причины возникновения и последствия. Здоровье
Шишка на десне, причины возникновения и последствия.

Как правило, заболевания десен случаются вследствие ненадлежащего ухода за полостью рта. Зубной налет, в основном состоящий из бактерий, образует стойкую липкую пленку по краю десен, вследствие чего развиваются различ...

Что такое обвалы: определение, причины, последствия Новости и общество
Что такое обвалы: определение, причины, последствия

Нередко в новостях появляются сообщения об обвалах, случившихся в различных регионах страны или мира. Так же часто мы слышим и о лавинах, сошедших в горных районах. Что такое обвалы и лавины? Какой урон они могут нане...