Gamma-kitörés -Gamma-ray burst

A művész illusztrációja, amely egy hatalmas csillag életét mutatja be, miközben a magfúzió a könnyebb elemeket nehezebb elemekké alakítja. Amikor a fúzió már nem termel elegendő nyomást a gravitáció ellensúlyozására, a csillag gyorsan összeomlik és fekete lyukat képez . Elméletileg energia szabadulhat fel az összeomlás során a forgástengely mentén, hogy egy GRB-t képezzen.

A gamma-sugárcsillagászatban a gammasugár-kitörések ( GRB-k ) hatalmas energiájú robbanások, amelyeket távoli galaxisokban figyeltek meg . Ezek a legenergetikusabb és legfényesebb elektromágneses események az Ősrobbanás óta . A sorozatfelvételek tíz milliszekundumtól több óráig is tarthatnak. A gammasugárzás kezdeti felvillanása után általában hosszabb ideig tartó "utófény" bocsát ki hosszabb hullámhosszon ( röntgen , ultraibolya , optikai , infravörös , mikrohullámú és rádió ).

Úgy gondolják, hogy a legtöbb megfigyelt GRB intenzív sugárzása szupernóva vagy szuperfényes szupernóva során szabadul fel, amikor egy nagy tömegű csillag felrobban, és neutroncsillagot vagy fekete lyukat képez . Úgy tűnik, hogy a GRB-k egy alosztálya kettős neutroncsillagok egyesüléséből származik .

A legtöbb GRB forrása több milliárd fényévnyire van a Földtől , ami azt jelenti, hogy a robbanások rendkívül energikusak (egy tipikus robbanás annyi energiát szabadít fel néhány másodperc alatt, mint amennyit a Nap a teljes 10 milliárd éves élettartama alatt) ritka (galaxisonként néhány millió évenként). Az összes megfigyelt GRB a Tejútrendszeren kívülről származik , bár a jelenségek egy rokon osztálya, a lágy gamma-ismétlők a Tejútrendszeren belüli magnetárokhoz kapcsolódnak . Feltételezték, hogy a Tejútrendszerben közvetlenül a Föld felé mutató gamma-kitörés tömeges kihalást okozhat . Egyes kutatók azt feltételezték, hogy a késő-ordovíciai tömeges kihalás egy ilyen gamma-kitörés következtében következett be.

A GRB-ket először 1967-ben észlelték a Vela műholdak , amelyeket titkos nukleáris fegyverkísérletek észlelésére terveztek ; alapos elemzés után ezt 1973-ban publikálták. Felfedezésüket követően elméleti modellek százait javasolták ezeknek a kitöréseknek, például üstökösök és neutroncsillagok ütközésének magyarázatára . Kevés információ állt rendelkezésre e modellek ellenőrzésére egészen az első röntgen- és optikai utófények 1997-es észleléséig, valamint vöröseltolódásuk optikai spektroszkópiával történő közvetlen méréséig , így távolságuk és energiakibocsátásukig. Ezek a felfedezések, valamint a kitörésekhez kapcsolódó galaxisok és szupernóvák későbbi tanulmányozása tisztázta a GRB-k távolságát és fényességét , és véglegesen a távoli galaxisokba helyezte őket.

Történelem

A BATSE küldetés során észlelt gamma-kitörések helye az égbolton. Az eloszlás izotróp , nincs koncentráció a Tejútrendszer síkja felé, amely vízszintesen halad át a kép közepén.

Gamma-kitöréseket először az 1960-as évek végén figyeltek meg az amerikai Vela műholdak, amelyeket az űrben tesztelt nukleáris fegyverek által kibocsátott gammasugárzási impulzusok észlelésére építettek. Az Egyesült Államok azt gyanította, hogy a Szovjetunió megkísérelhet titkos nukleáris kísérleteket végrehajtani, miután 1963-ban aláírta a nukleáris kísérleti tilalmat. 1967. július 2-án, 14:19 UTC- kor a Vela 4 és Vela 3 műholdak gamma-sugárzás felvillanását észlelték. ellentétben minden ismert atomfegyver aláírással. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium Ray Klebesadel vezette csapata nem tudta, hogy mi történt, de nem tartotta különösebben sürgősnek az ügyet , és kivizsgálásra bocsátotta az adatokat. Ahogy újabb Vela műholdakat indítottak fel jobb műszerekkel, a Los Alamos csapata továbbra is megmagyarázhatatlan gamma-kitöréseket talált adataikban. A különböző műholdak által észlelt kitörések eltérő érkezési idejét elemezve a csapat durva becsléseket tudott meghatározni 16 kitörés égbolt helyzetére vonatkozóan , és véglegesen kizárta a földi vagy a szoláris eredetet. A közhiedelemmel ellentétben az adatokat soha nem minősítették. Alapos elemzést követően az eredményeket 1973-ban publikálták az Astrophysical Journal „Observations of Gamma-ray Bursts of Cosmic Origin” címmel.

A legtöbb korai gamma-kitörési elmélet a Tejút-galaxis közeli forrásait jelölte meg . 1991-től a Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) és annak Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ) műszere, egy rendkívül érzékeny gammasugár-detektor olyan adatokat szolgáltatott, amelyek azt mutatták, hogy a GRB-k eloszlása ​​izotróp –  nem torzult semmilyen térbeli irány felé. . Ha a források saját galaxisunkból származnának, akkor erősen a galaktikus síkban vagy annak közelében koncentrálódnának. Az ilyen minták hiánya a GRB-k esetében erős bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a gamma-kitöréseknek a Tejútrendszeren túlról kell származniuk. Néhány Tejút-modell azonban még mindig összhangban van az izotróp eloszlással.

A megfelelő objektumok jelölt forrásként

A GRB-k felfedezése után évtizedekig a csillagászok más hullámhosszokon kerestek megfelelőt: azaz bármely olyan csillagászati ​​objektumot, amely helyzeti egybeesésben van egy nemrég megfigyelt kitöréssel. A csillagászok az objektumok számos különböző osztályát vették figyelembe, beleértve a fehér törpéket , a pulzárokat , a szupernóvákat , a gömbhalmazokat , a kvazárokat , a Seyfert-galaxisokat és a BL Lac objektumokat . Minden ilyen keresés sikertelen volt, és néhány esetben a különösen jól lokalizált sorozatokról (azoknál, amelyek helyzetét az akkori nagy pontossággal határozták meg) egyértelműen kimutatható volt, hogy nincsenek olyan fényes objektumok, amelyek megfeleltek volna az abból származó pozíciónak. az észlelő műholdak. Ez vagy nagyon halvány csillagok vagy rendkívül távoli galaxisok eredetére utalt. Még a legpontosabb pozíciókban is számos halvány csillag és galaxis szerepelt, és széles körben egyetértettek abban, hogy a kozmikus gamma-kitörések eredetének végső feloldásához új műholdakra és gyorsabb kommunikációra van szükség.

Utánvilágítás

Az 1996 áprilisában felbocsátott olasz–holland BeppoSAX műhold megadta a gamma-kitörések első pontos helyzetét, lehetővé téve a megfigyelések nyomon követését és a források azonosítását.

A gamma-kitörések eredetének számos modellje feltételezte, hogy a gamma-sugárzás kezdeti kitörését utánvilágításnak kell követnie : lassan halványuló emisszió hosszabb hullámhosszokon, amelyet a kitörés és a csillagközi gáz ütközése okoz . Ennek az utófénynek a korai keresése sikertelen volt, főként azért, mert nehéz megfigyelni a robbanás helyzetét hosszabb hullámhosszokon közvetlenül a kezdeti robbanás után. Az áttörés 1997 februárjában következett be, amikor a BeppoSAX műhold gamma-kitörést észlelt ( GRB 970228 ), és amikor a röntgenkamerát arra az irányra irányították, ahonnan a kitörés keletkezett, gyengülő röntgensugárzást észlelt. A William Herschel teleszkóp 20 órával a kitörés után egy halványuló optikai megfelelőt azonosított. Miután a GRB elhalványult, a mély képalkotás képes volt azonosítani egy halvány, távoli gazdagalaxist a GRB helyén, amint azt az optikai utófény pontosan meghatározta.

A galaxis nagyon gyenge fényereje miatt a pontos távolságát évekig nem mérték. Jóval ezután újabb jelentős áttörés történt a BeppoSAX által regisztrált következő eseménnyel, a GRB 970508-as számmal . Ezt az eseményt a felfedezésétől számított négy órán belül lokalizálták, így a kutatócsoportok minden korábbi robbanásnál sokkal hamarabb megkezdhették a megfigyeléseket. Az objektum spektruma z = 0,835 vöröseltolódást mutatott ki, ami a kitörést nagyjából 6 milliárd fényévnyi  távolságra helyezte  a Földtől. Ez volt a GRB távolságának első pontos meghatározása, és a 970228 gazdagalaxis felfedezésével együtt bebizonyította, hogy a GRB-k rendkívül távoli galaxisokban is előfordulnak. Néhány hónapon belül véget ért a távolságskáláról szóló vita: a GRB-k extragalaktikus események voltak, amelyek hatalmas távolságra lévő halvány galaxisokból indultak ki. A következő évben a GRB 980425-öt egy napon belül egy fényes szupernóva ( SN 1998bw ) követte , amelynek elhelyezkedése egybeesett, ami egyértelmű kapcsolatot jelez a GRB-k és a nagyon nagy tömegű csillagok halála között. Ez a robbanás adta az első erős támpontot a GRB-ket előállító rendszerek természetéről.

Újabb hangszerek

A NASA Swift űrszondája 2004 novemberében indult

A BeppoSAX 2002-ig működött, a CGRO-t (a BATSE-vel) pedig 2000-ben leállították. A gamma-kitörések tanulmányozásának forradalma azonban számos további műszer kifejlesztését motiválta, amelyeket kifejezetten a GRB-k természetének feltárására terveztek, különösen a legkorábbi pillanatokban. a robbanást követően. Az első ilyen küldetést, a HETE-2-t 2000-ben indították el, és 2006-ig működött, és ebben az időszakban tette a legtöbb jelentős felfedezést. Az eddigi egyik legsikeresebb űrmisszió, a Swift 2004-ben indult, és 2023 januárjában még mindig működik. A Swift nagyon érzékeny gamma-detektorral, valamint fedélzeti röntgen- és optikai teleszkópokkal van felszerelve, amelyek gyorsan és automatikusan elforgathatók, hogy megfigyeljék a kitörést követő utófény-emissziót. Nemrég indították útjára a Fermi- missziót a Gamma-Ray Burst Monitorral , amely évente több száz kitörést észlel, amelyek némelyike ​​elég fényes ahhoz, hogy rendkívül nagy energiákon megfigyelhető legyen a Fermi-féle nagy területű teleszkóp segítségével . Eközben a földön számos optikai teleszkópot építettek vagy módosítottak, hogy beépítsék a robotvezérlő szoftvert, amely azonnal reagál a Gamma-ray Burst Coordinates Network- ön keresztül küldött jelekre . Ez lehetővé teszi, hogy a teleszkópok gyorsan visszamutassanak egy GRB-re, gyakran a jel vételétől számított másodperceken belül, miközben maga a gamma-sugárzás még folyamatban van.

A 2000-es évek óta történt új fejlemények közé tartozik a rövid gamma-kitörések külön osztályként való felismerése (valószínűleg egyesülő neutroncsillagokból származnak, és nem kapcsolódnak szupernóvákhoz), a kiterjedt, szabálytalan fellángolási tevékenység felfedezése olyan röntgenhullámhosszon, amely sok percig tart a legtöbb esetben. GRB-k, valamint a világegyetem legvilágosabb ( GRB 080319B ) és egykori legtávolabbi ( GRB 090423 ) objektumainak felfedezése. A legtávolabbi ismert GRB, a GRB 090429B ma már a legtávolabbi ismert objektum az univerzumban.

2018 októberében a csillagászok arról számoltak be, hogy a GRB 150101B (észlelt 2015-ben) és a GW170817 , egy 2017-ben észlelt gravitációs hullám esemény (amelyet a GRB170817A-val társítottak, amely 1,7 másodperccel később észlelt kitörést észlelt) – ugyanez a mechanizmus hozhatta létre. két neutroncsillag egyesülése . A két esemény közötti hasonlóság a gamma- , az optikai és a röntgensugárzás , valamint a kapcsolódó gazdagalaxisok természete tekintetében " feltűnő", ami arra utal, hogy a két külön esemény a A neutroncsillagok egyesülése, és mindkettő kilonova lehet , ami a kutatók szerint gyakoribb lehet az univerzumban, mint azt korábban gondolták.

A gamma-kitörés során észlelt legnagyobb energiájú fény egy teraelektronvolt volt , a GRB 190114C -től 2019-ben. (Megjegyzés, ez körülbelül ezerszer alacsonyabb energia, mint a bármely forrásból származó legnagyobb energiájú fény, amely az év adatai szerint 1,4 petaelektronvolt 2021.)

Osztályozás

Gamma-sugár kitörési fénygörbéi

A gamma-kitörések fénygörbéi rendkívül változatosak és összetettek. Nincs két egyforma gammasugár-kitöréses fénygörbe, szinte minden tulajdonságban nagy eltérések figyelhetők meg: a megfigyelhető emisszió időtartama ezredmásodperctől több tíz percig is változhat, lehet egyetlen csúcs vagy több egyedi részimpulzus, és az egyes csúcsok is előfordulhatnak. szimmetrikus vagy gyorsan világosodó és nagyon lassú fakulással. Egyes sorozatokat egy " prekurzor " esemény előzi meg, egy gyenge sorozat, amelyet aztán (másodpercek vagy percekig, amikor egyáltalán nincs emisszió) a sokkal intenzívebb "igazi" feltörési epizód követ . Egyes események fénygörbéi rendkívül kaotikus és bonyolult profilúak, szinte észrevehetetlen mintázatok nélkül.

Bár egyes fénygörbék durván reprodukálhatók bizonyos leegyszerűsített modellekkel, kevés előrelépés történt a megfigyelt teljes sokféleség megértésében. Számos besorolási sémát javasoltak, de ezek gyakran kizárólag a fénygörbék megjelenésében mutatkozó különbségeken alapulnak, és nem mindig tükröznek valódi fizikai különbséget a robbanások elődeiben. A nagyszámú gamma-kitörés megfigyelt időtartamának eloszlását ábrázoló diagramok azonban egyértelmű bimodalitást mutatnak , ami két különálló populáció létezésére utal: egy „rövid” populáció, amelynek átlagos időtartama körülbelül 0,3 másodperc, és egy „hosszú” populáció. populáció átlagos időtartama körülbelül 30 másodperc. Mindkét eloszlás nagyon tág, jelentős átfedési régióval, amelyben egy adott esemény azonossága önmagában az időtartam alapján nem egyértelmű. Ezen a kétszintű rendszeren túl további osztályokat javasoltak megfigyelési és elméleti alapon.

Rövid gamma-kitörések

A Hubble Űrteleszkóp egy kilonova robbanás infravörös fényét rögzíti .

A körülbelül két másodpercnél rövidebb időtartamú eseményeket a rövid gamma-kitörések közé sorolják. Ezek adják a gamma-kitörések körülbelül 30%-át, de 2005-ig egyetlen rövid eseményből sem észleltek utófényt, és keveset tudtak eredetükről. Azóta több tucat rövid gamma-kitöréses utófényt észleltek és lokalizáltak, amelyek közül több olyan régiókhoz kapcsolódik, ahol csekély vagy egyáltalán nincs csillagkeletkezés, például nagy elliptikus galaxisokhoz . Ez kizárja a hatalmas sztárokhoz való kapcsolódást, megerősítve, hogy a rövid események fizikailag különböznek a hosszú eseményektől. Ráadásul nem volt összefüggés a szupernóvákkal.

Ezen objektumok valódi természete kezdetben ismeretlen volt, és a vezető hipotézis az volt, hogy kettős neutroncsillagok vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk egyesüléséből származnak . Az ilyen összeolvadások elmélete szerint kilonovák keletkeznek , és bizonyítékot találtak a GRB 130603B-hez kapcsolódó kilonovára. Ezeknek az eseményeknek az átlagos időtartama 0,2 másodperc ( az okozati összefüggés miatt ) a csillagok szempontjából nagyon kicsi fizikai átmérőjű forrásra utal; kevesebb, mint 0,2 fénymásodperc (körülbelül 60 000 km vagy 37 000 mérföld – a Föld átmérőjének négyszerese). A rövid gamma-kitörést követő percek vagy órák közötti röntgenfelvillanások megfigyelése összhangban van azzal, hogy az elsődleges objektum kis részecskéit, például egy neutroncsillagot először két másodpercnél rövidebb idő alatt nyel el egy fekete lyuk, majd néhány órán át kisebb energiájú. események, mivel az árapály által megbomlott neutroncsillag-anyag megmaradt töredékei (már nem neutrónium ) pályán maradnak, hogy spirálisan bejussanak a fekete lyukba, hosszabb ideig. A rövid gamma-kitörések egy kis részét valószínűleg a közeli galaxisok lágy gamma-ismétlőiből származó óriási kitörések idézik elő .

A rövid GRB-k eredetét a kilonovákban megerősítették, amikor a rövid GRB 170817A-t csak 1,7 másodperccel a GW170817 gravitációs hullám észlelése után észlelték , ami két neutroncsillag egyesülésének jele volt.

Hosszú gamma-kitörések

Swift körülbelül egy órával az első észlelés után rögzítette a GRB 221009A utófényét . A fényes gyűrűk a galaxisunkban a kitörés irányába eső, egyébként nem megfigyelhető porrétegekből szórt röntgensugárzás eredményeként jönnek létre.

A legtöbb megfigyelt esemény (70%) két másodpercnél hosszabb ideig tart, és hosszú gamma-kitörésnek minősül. Mivel ezek az események a lakosság többségét alkotják, és általában a legfényesebb utófényekkel rendelkeznek, sokkal részletesebben figyelték meg őket, mint rövid társaikat. Szinte minden jól tanulmányozott hosszú gammasugár-kitörést összefüggésbe hoztak egy gyors csillagkeletkezésű galaxissal, és sok esetben egy mag-összeomlásos szupernóvával is, ami egyértelműen a hosszú GRB-ket a hatalmas csillagok halálával társítja. A hosszú, nagy vöröseltolódású GRB utánvilágítási megfigyelések szintén összhangban vannak azzal, hogy a GRB csillagkeletkezési régiókban keletkezett. 2022 decemberében a csillagászok beszámoltak az első bizonyítékokról a neutroncsillagok egyesüléséből származó hosszú GRB-re .

Ultra hosszú gamma-kitörések

Ezek az események a hosszú GRB időtartam-eloszlás végén találhatók, több mint 10 000 másodpercig tartanak. Azt javasolták, hogy hozzanak létre egy külön osztályt, amelyet egy kék szuperóriás csillag összeomlása , árapály-zavar vagy egy újszülött magnetár okoz . A mai napig csak néhányat azonosítottak, ezek elsődleges jellemzője a gamma-sugárzás emissziós időtartama. A legtöbbet vizsgált ultrahosszú események közé tartozik a GRB 101225A és a GRB 111209A . Az alacsony észlelési arány inkább az aktuális detektorok hosszú távú eseményekre való alacsony érzékenységének az eredménye, nem pedig a valódi frekvenciájának tükröződése. Egy 2013-as tanulmány ezzel szemben azt mutatja, hogy a meglévő bizonyítékok egy különálló ultrahosszú GRB populációra, új típusú elődökkel nem meggyőzőek, és további több hullámhosszú megfigyelésekre van szükség a határozottabb következtetés levonásához.

Energetika és sugárzás

Művész illusztrációja egy csillagkeletkezési régióban fellépő fényes gamma-kitörésről. A robbanásból származó energia két keskeny, egymással ellentétes irányú sugárba áramlik.

A Földről megfigyelhető gamma-kitörések jellemzően hatalmas távolságuk ellenére nagyon fényesek. Egy átlagosan hosszú GRB bolometrikus fluxusa összemérhető galaxisunk fényes csillagával, annak ellenére, hogy a távolság több milliárd fényév (a legtöbb látható csillag esetében néhány tíz fényévhez képest). Ennek az energiának a nagy része gamma-sugárzásban szabadul fel, bár néhány GRB-nek rendkívül fényes optikai megfelelői is vannak. A GRB 080319B-t például egy optikai megfelelője kísérte, amely 5,8-as látható magnitúdónál tetőzött , ami a leghalványabb szabad szemű csillagokhoz hasonlítható, annak ellenére, hogy a kitörés 7,5 milliárd fényévnyi távolságra van. A fényerő és a távolság ezen kombinációja rendkívül energikus forrást jelent. Feltételezve, hogy a gammasugár-robbanás gömb alakú, a GRB 080319B kibocsátott energiája a Nap nyugalmi tömegenergiájának kétszeresére esik (az az energia, amely akkor szabadulna fel, ha a Nap teljesen sugárzássá alakulna).

A gamma-kitöréseket erősen fókuszált robbanásoknak tartják, a robbanási energia nagy része keskeny sugárban kollimálódik . A sugár hozzávetőleges szögszélessége (vagyis a sugár terjedésének mértéke) közvetlenül megbecsülhető az akromatikus "sugártörések" megfigyelésével az utánvilágítási fénygörbékben: ez az az idő, amely után a lassan múló utófény gyorsan halványulni kezd. A sugár lelassul, és már nem tudja olyan hatékonyan sugározni a sugárzást. A megfigyelések azt sugallják, hogy a sugár szöge jelentős eltéréseket mutat 2 és 20 fok között.

Mivel energiájuk erősen fókuszált, a legtöbb kitörés által kibocsátott gamma-sugarak várhatóan elkerülik a Földet, és soha nem észlelik őket. Amikor a gamma-kitörés a Föld felé irányul, energiájának egy viszonylag keskeny sugár mentén történő fókuszálása miatt a kitörés sokkal fényesebbnek tűnik, mint amilyen lett volna, ha energiáját gömbszerűen bocsátják ki. Ha ezt a hatást figyelembe vesszük, a tipikus gamma-kitörések valódi energiafelszabadulása körülbelül 10 ⁴⁴  J, vagyis a naptömeg ( M _☉ ) energiaegyenérték körülbelül 1/2000-e – ami még mindig a tömeg sokszorosa. -a Föld energiaegyenértéke (kb. 5,5 × 10 ⁴¹  J). Ez összemérhető a fényes Ib/c típusú szupernóvában felszabaduló energiával és az elméleti modellek tartományán belül. Megfigyelték, hogy nagyon fényes szupernóvák kísérik a legközelebbi GRB-ket. A GRB-k kimenetének fókuszálásához további támogatást adnak a közeli Ic típusú szupernóvák spektrumában tapasztalható erős aszimmetriák megfigyelései és a rádiós megfigyelések, amelyeket jóval a kitörések után végeztek, amikor a sugaraik már nem relativisztikusak.

Úgy tűnik, hogy a rövid (időtartamú) GRB-k alacsonyabb vöröseltolódású (azaz kevésbé távoli) populációból származnak, és kevésbé fényesek, mint a hosszú GRB-k. A rövid kitörések sugárzási fokát nem mérték pontosan, de populációként valószínűleg kevésbé kollimáltak, mint a hosszú GRB-k, vagy egyes esetekben egyáltalán nem kollimáltak.

Progenitorok

A Hubble Űrteleszkóp felvétele a Wolf–Rayet WR 124 csillagról és a környező ködről. A Wolf–Rayet sztárjai a hosszú távú GRB-k ősei lehetnek.

Mivel a legtöbb gammasugár-kitörési forrás hatalmas távolságra van a Földtől, az elődök azonosítása, az ezeket a robbanásokat előidéző ​​rendszerek kihívást jelent. Egyes hosszú GRB-k szupernóvákkal való kapcsolata és az a tény, hogy gazdagalaxisaik gyorsan csillagkeletkeznek, nagyon erős bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a hosszú gamma-kitörések összefüggésbe hozhatók a hatalmas csillagokkal. A hosszú távú GRB-k keletkezésének legszélesebb körben elfogadott mechanizmusa az collapsar modell, amelyben egy rendkívül nagy tömegű, alacsony fémtartalmú , gyorsan forgó csillag magja evolúciójának végső szakaszában fekete lyukká omlik össze . A csillag magjához közel eső anyag a középpont felé csapódik le, és egy nagy sűrűségű akkréciós koronggá örvénylik . Ennek az anyagnak a fekete lyukba való beesése egy pár relativisztikus sugárt hajt ki a forgástengely mentén, amelyek átcsapnak a csillagburkon, végül áttörik a csillag felszínét, és gamma-sugárzásként sugároznak ki. Egyes alternatív modellek a fekete lyukat egy újonnan képződött magnetárral helyettesítik , bár a modell legtöbb egyéb aspektusa (egy hatalmas csillag magjának összeomlása és relativisztikus sugárzók kialakulása) ugyanaz.

A Tejútrendszer galaxisában a hosszú gamma-kitöréseket produkáló csillagok legközelebbi analógjai valószínűleg a Wolf–Rayet csillagok , rendkívül forró és nagy tömegű csillagok, amelyek hidrogénburkájuk nagy részét vagy egészét leadták. Az Eta Carinae-t , az Apep- et és a WR 104-et a jövőbeli gamma-kitörés lehetséges elődjeként említették. Nem világos, hogy a Tejútrendszer bármely csillagának megvan-e a megfelelő tulajdonsága a gamma-kitöréshez.

A hatalmas csillagmodell valószínűleg nem magyarázza meg a gamma-kitörések minden típusát. Szilárd bizonyítékok vannak arra vonatkozóan, hogy néhány rövid távú gammasugár-kitörés olyan rendszerekben fordul elő, amelyekben nincs csillagkeletkezés és nincsenek nagy tömegű csillagok, például elliptikus galaxisokban és galaxisglóriakban . A legtöbb rövid gamma-kitörés eredetének kedvelt elmélete egy két neutroncsillagból álló kettős rendszer egyesülése. E modell szerint a két csillag binárisan lassan egymás felé spirál, mert a gravitációs sugárzás energiát szabadít fel, amíg az árapály-erők hirtelen szét nem hasítják a neutroncsillagokat, és egyetlen fekete lyukba omlanak. Az anyagnak az új fekete lyukba való behatolása egy akkréciós korongot hoz létre, és energiakitörést szabadít fel, hasonlóan az collapsar modellhez. Számos más modellt is javasoltak a rövid gamma-kitörések magyarázatára, ideértve a neutroncsillag és a fekete lyuk egyesülését, a neutroncsillagok akkréció által kiváltott összeomlását vagy az ősfekete lyukak elpárolgását .

Friedwardt Winterberg alternatív magyarázata szerint a gravitációs összeomlás során és a fekete lyuk eseményhorizontjának elérésekor minden anyag gamma-sugárzás kitörésévé bomlik.

Árapály-zavarok

A GRB-szerű események ezen új osztályát először a Swift Gamma-Ray Burst Mission 2011. március 28-án a GRB 110328A észlelése révén fedezték fel. Ennek az eseménynek a gammasugárzás időtartama körülbelül 2 nap volt, ami sokkal hosszabb, mint az ultrahosszúé. GRB-k, és hosszú hónapokig kimutatták a röntgensugárzásban. Egy kis elliptikus galaxis közepén fordult elő, z = 0,3534 vöröseltolódásnál. Jelenleg is vita folyik arról, hogy a robbanást a csillagok összeomlása vagy egy relativisztikus sugár kíséretében bekövetkezett árapály-zavar okozta-e, bár az utóbbi magyarázatot széles körben elterjedtté vált.

Az árapály ilyen jellegű megzavarása az, amikor egy csillag kölcsönhatásba lép egy szupermasszív fekete lyukkal , felaprítva a csillagot, és bizonyos esetekben relativisztikus sugarat hoz létre, amely fényes gamma-sugárzást bocsát ki. A GRB 110328A (más néven Swift J1644+57) eseményről eredetileg azt állították, hogy egy fősorozat csillagának a Nap tömegénél több milliószoros tömegű fekete lyuk általi megszakítása okozta, bár később azt állították, hogy valószínűbb egy fehér törpe egy fekete lyuknál, amelynek tömege körülbelül 10 ezerszer nagyobb a Napnál.

Kibocsátási mechanizmusok

Gamma-sugár-kitörési mechanizmus

A gamma-kitörések által az energiát sugárzássá alakító módszereket továbbra sem ismerik eléggé, és 2010-ben még nem volt általánosan elfogadott modell e folyamat végbemenetelére. A GRB emisszió minden sikeres modelljének meg kell magyaráznia a gamma-sugárzás létrehozásának fizikai folyamatát, amely megfelel a fénygörbék, spektrumok és egyéb jellemzők megfigyelt sokféleségének. Különösen nagy kihívást jelent az, hogy meg kell magyarázni az egyes robbanásokból kikövetkeztethető nagyon magas hatásfokot: egyes gamma-kitörések a robbanási energia felét (vagy többet) gamma-sugárzásokká alakíthatják. A GRB 990123 és a GRB 080319B fényes optikai megfelelőinek korai megfigyelései , amelyek optikai fénygörbéi a gamma-fényspektrumok extrapolációi voltak, azt sugallták, hogy bizonyos eseményekben az inverz Compton-szórás lehet a domináns folyamat. Ebben a modellben a már létező alacsony energiájú fotonokat relativisztikus elektronok szórják szét a robbanáson belül, nagy mértékben megnövelve energiájukat és gamma-sugárzásokká alakítva őket.

A gammasugár-kitöréseket követő hosszabb hullámhosszú utófény-kibocsátás természete (a röntgensugárzástól a rádióig terjed ) jobban megérthető. A robbanás által felszabaduló minden energia, amely nem sugárzott ki magában a kitörésben, anyag vagy energia formájában tud kifelé közel fénysebességgel mozogni. Amint ez az anyag ütközik a környező csillagközi gázzal , relativisztikus lökéshullámot hoz létre , amely aztán továbbterjed a csillagközi térbe. Egy második lökéshullám, a fordított sokk, visszaterjedhet a kilökődött anyagba. A lökéshullámon belüli rendkívül energikus elektronokat erős lokális mágneses mezők gyorsítják fel, és szinkrotron emisszióként sugároznak az elektromágneses spektrum nagy részén . Ez a modell általában sikeres volt sok megfigyelt utófény viselkedésének modellezésében késői időpontokban (általában órákkal-napokkal a robbanás után), bár nehézségekbe ütközik az utófény összes jellemzőjének magyarázata röviddel a gamma-kitörés után.

Az előfordulási arány és az életre gyakorolt ​​lehetséges hatások

2015. október 27-én, GMT 22:40-kor a NASA/ASI/UKSA Swift műhold felfedezte 1000. gamma-kitörését (GRB).

A gammasugár-kitörések káros vagy pusztító hatással lehetnek az életre. Az univerzum egészét tekintve az élet számára a Földhöz hasonló legbiztonságosabb környezet a nagy galaxisok peremén található legkisebb sűrűségű régió. A galaxistípusokról és azok elterjedéséről szerzett ismereteink arra utalnak, hogy az általunk ismert élet az összes galaxisnak csak körülbelül 10%-ában létezhet. Ezenkívül a 0,5-nél nagyobb vöröseltolódású galaxisok ( z ) alkalmatlanok az általunk ismert életre, mivel magasabb a GRB-k aránya és a csillagok tömörsége.

Az összes eddig megfigyelt GRB jóval a Tejút-galaxison kívül fordult elő, és ártalmatlan volt a Földre. Ha azonban a Tejútrendszerben 5000-8000 fényéven belül GRB fordulna elő, és kibocsátása egyenesen a Föld felé irányulna, a hatások károsak lehetnek, és potenciálisan pusztítóak lehetnek az ökoszisztémákra nézve . Jelenleg a keringő műholdak naponta átlagosan körülbelül egy GRB-t észlelnek. A legközelebbi megfigyelt GRB 2014 márciusában a GRB 980425 volt , amely 40 megaparszek (130 000 000 ly) távolságra ( z = 0,0085) található egy SBc-típusú törpegalaxisban. A GRB 980425 sokkal kevésbé volt energikus, mint az átlagos GRB, és az SN 1998bw Ib típusú szupernóvához kapcsolódott .

Nehéz megbecsülni a GRB-k előfordulási gyakoriságát; a Tejútrendszerrel megközelítőleg azonos méretű galaxis esetében a várható sebességre vonatkozó becslések (hosszú távú GRB-k esetén) 10 000 évenkénti egy kitöréstől 1 000 000 évenkénti kitörésig terjedhetnek. Ezeknek csak kis százaléka sugározna a Föld felé. A rövid távú GRB-k előfordulási arányára vonatkozó becslések még bizonytalanabbak az ismeretlen fokú kollimáció miatt, de valószínűleg összehasonlíthatóak.

Mivel a GRB-kről azt gondolják, hogy két, egymással ellentétes irányú sugár mentén sugároznak ki, csak az ezen sugár útjában lévő bolygók lennének kitéve nagy energiájú gamma-sugárzásnak.

Bár a közeli GRB-k, amelyek pusztító gammasugár-záporral érik a Földet, csak feltételezett események, megfigyelték, hogy a galaxisban zajló nagy energiájú folyamatok hatással vannak a Föld légkörére.

Hatások a Földön

A Föld légköre nagyon hatékonyan nyeli el a nagy energiájú elektromágneses sugárzásokat, például a röntgen- és gamma-sugárzást, így az ilyen típusú sugárzások nem érnének el veszélyes szintet a felszínen a robbanás során. A néhány kilós parszeken belüli GRB azonnali hatása a földi életre csak az ultraibolya sugárzás földszinti növekedése lenne, amely kevesebb, mint egy másodperctől több tíz másodpercig tartana. Ez az ultraibolya sugárzás a robbanás pontos természetétől és távolságától függően potenciálisan veszélyes szintet is elérhet, de valószínűtlennek tűnik, hogy globális katasztrófát okozzon a földi élet számára.

A közeli kitörés hosszú távú hatásai veszélyesebbek. A gamma-sugarak kémiai reakciókat váltanak ki a légkörben, amelyekben oxigén- és nitrogénmolekulák vesznek részt , és először nitrogén-oxid, majd nitrogén-dioxid gáz keletkezik . A nitrogén-oxidok három szinten okoznak veszélyes hatást. Először is, lebontják az ózont , a modellek 25–35%-os globális csökkenést mutatnak, bizonyos helyeken akár 75%-kal is, ami évekig tart. Ez a csökkenés elég ahhoz, hogy veszélyesen megemelkedett UV-indexet okozzon a felületen. Másodszor, a nitrogén-oxidok fotokémiai szmogot okoznak , amely elsötétíti az eget és elzárja a napfény spektrumának egy részét. Ez hatással lenne a fotoszintézisre , de a modellek a napfény teljes spektrumának csak körülbelül 1%-os csökkenését mutatják, ami néhány évig tart. A szmog azonban potenciálisan hűsítő hatást gyakorolhat a Föld éghajlatára, és "kozmikus telet" idézhet elő (hasonlóan a becsapódásos télhez , de hatás nélkül), de csak akkor, ha az egyidejűleg jelentkezik a globális éghajlati instabilitással. Harmadszor, a megnövekedett nitrogén-dioxid szint a légkörben kimosná és savas esőt eredményezne . A salétromsav mérgező számos szervezetre, köztük a kétéltűekre is, de a modellek előrejelzései szerint nem éri el azt a szintet, amely komoly globális hatást váltana ki. A nitrátok valóban hasznosak lehetnek egyes növények számára.

Összességében elmondható, hogy a néhány kiloparszeken belüli GRB, amelynek energiája a Föld felé irányul, leginkább az életet károsítja azáltal, hogy megemeli az UV-szintet a kitörés során és néhány évig azt követően. A modellek azt mutatják, hogy ennek a növekedésnek a pusztító hatásai a normál DNS-károsodás akár 16-szorosát is okozhatják. A biológiai terepi és laboratóriumi adatok bizonytalansága miatt nehéznek bizonyult ennek a szárazföldi ökoszisztémára gyakorolt ​​következményeinek megbízható értékelése.

Hipotetikus hatások a Földön a múltban

Nagyon jó esély van arra (de nincs bizonyosság), hogy legalább egy halálos GRB történt az elmúlt 5 milliárd év során elég közel a Földhöz ahhoz, hogy jelentősen károsítsa az életet. 50%-os esély van arra, hogy az elmúlt 500 millió év során egy ilyen halálos GRB a Föld két kiloparszekundán belül történt, ami az egyik legnagyobb tömeges kihalást okozta.

A 450 millió évvel ezelőtti legnagyobb ordovícium-szilur kihalási eseményt egy GRB okozhatta. Becslések szerint az ordovíciai óceánokban a teljes fitoplankton biomasszának körülbelül 20–60%-a pusztult volna el egy GRB-ben, mivel az óceánok többnyire oligotrófok és tiszták voltak. A késő ordovíciumi trilobitfajok , amelyek életük egy részét az óceán felszínéhez közeli planktonrétegben töltötték , sokkal jobban érintették, mint a mélytengeri lakosokat, amelyek meglehetősen korlátozott területeken belül maradtak . Ez ellentétben áll a kihalási események szokásos mintájával, ahol a szélesebb körben elterjedt populációkkal rendelkező fajok általában jobban boldogulnak. A lehetséges magyarázat az, hogy a mélyvízben maradó trilobitok jobban védettek lennének a GRB-vel kapcsolatos fokozott UV-sugárzással szemben. Ezt a hipotézist támasztja alá az a tény is, hogy a késő ordovícium idején az üreges kéthéjú fajok kisebb valószínűséggel haltak ki, mint a felszínen élő kagylók.

Egy olyan eset született, hogy a 774–775 szén-14 tüske egy rövid GRB eredménye volt, bár egy nagyon erős napkitörés egy másik lehetőség.

GRB jelöltek a Tejútrendszerben

Egy összeomló csillag által okozott rövid gamma-kitörés illusztrációja.

Saját galaxisunkból, a Tejútrendszerből származó gamma-kitörést nem figyeltek meg, és továbbra is megoldatlan a kérdés, hogy előfordult-e ilyen. A gamma-kitörések és elődeik ismereteinek fejlődése fényében a tudományos irodalom egyre több helyi, múltbeli és jövőbeli GRB-jelöltről számol be. A hosszú távú GRB-k szuperfényes szupernóvákkal vagy hipernóvákkal kapcsolatosak, és a legtöbb világító kék változóról (LBV) és gyorsan forgó Wolf-Rayet csillagról azt gondolják, hogy életciklusukat a mag-összeomlású szupernóvákban fejezik be, és a kapcsolódó hosszú távú GRB-vel járnak. A GRB-k ismerete azonban az univerzum evolúciójának korábbi korszakainak fémszegény galaxisaiból származik , és lehetetlen közvetlenül extrapolálni a fejlettebb galaxisokra és a magasabb fémességű csillagkörnyezetekre , mint például a Tejútrendszerre.

Lásd még

Megjegyzések

Idézetek

Hivatkozások

További irodalom

• Vedrenne, G.; Atteia, J.-L. (2009). Gamma-sugár kitörések: Az Univerzum legfényesebb robbanásai . Springer . ISBN 978-3-540-39085-5.
• Chryssa Kouveliotou; Stanford E. Woosley; Ralph AMJ, szerk. (2012). Gamma-kitörések . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66209-3.
• Bing Zhang (2018). A gammasugár-kitörések fizikája . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9781139226530.

Külső linkek

GRB missziós helyek

• Swift Gamma-ray Burst Mission :
  • Hivatalos NASA Swift honlap
  • Egyesült Királyság Swift Science Data Center
  • Swift Mission Operations Center, Penn State
• HETE-2: High Energy Transient Explorer ( Wiki bejegyzés )
• INTEGRÁL: NEMZETKÖZI Gamma-Ray Astrophysics Laboratory ( Wiki szócikk )
• BATSE: Burst and Transient Source Explorer
• Fermi Gamma-űrtávcső ( Wiki szócikk )
• AGILE: Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero ( Wiki szócikk )
• EXIST: Energetic X-ray Survey Telescope Archivált 2009-04-04 a Wayback Machine- nél
• Gamma Ray Burst katalógus a NASA-nál

GRB nyomon követési programok

• A Gamma-ray bursts Coordinates Network (GCN) ( Wiki szócikk )
• BOOTES: Burst Observer és Optical Transient Exploring System Archivált 2013-04-23 a Wayback Machine -nél ( Wiki bejegyzés )
• GROND: Gamma-ray Burst optikai közeli infravörös detektor ( Wiki szócikk )
• KAIT: A Katzman Automatic Imaging Telescope ( Wiki bejegyzés )
• MESTER: A teleszkóp-robotok mobil csillagászati ​​rendszere
• ROTSE: Robotikus optikai tranziens keresési kísérlet ( Wiki bejegyzés )