Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Гамма-сплеск



План:


Введення

Художня ілюстрація гамма-сплеску (NASA / Zhang & Woosley).

Гамма-сплеск [1] - масштабний космічний викид енергії вибухового характеру, що спостерігається у віддалених галактиках в самій жорсткій частини електромагнітного спектра. Гамма-сплески (ГВ) - найбільш яскраві електромагнітні події, що відбуваються у всесвіту. Тривалість типового ГВ становить кілька секунд, проте він може тривати від мілісекунд до години. За первісним сплеском звичайно треба довгоживуче "післясвічення", випромінюване 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 у нейтронну зірку, або в кваркової зірку, або в чорну діру. Підклас ГВ - "короткі" сплески - мабуть походять від іншого процесу, можливо, при злитті подвійних нейтронних зірок.

Джерела ГВ знаходяться на відстанях у мільярди світлових років від Землі, що означає їх надзвичайну потужність і рідкість. За кілька секунд спалаху вивільняється стільки енергії, скільки Сонцем виділяється за 10 мільярдів років. За мільйон років в одній галактиці виявляються лише кілька ГВ [2]. Всі спостережувані ГВ відбуваються за межами галактики Чумацький шлях, крім явища спорідненого класу, м'яких повторюваних гамма-сплесків, які асоціюється з магнетарів Чумацького шляху. Є припущення, що ГВ, що стався в нашій галактиці, міг би привести до масового вимирання всього живого на Землі [3].

ГВ вперше був випадково зареєстрований 2 липня 1967 американськими військовими супутниками "Vela" [4].

Перший космічний гамма-сплеск записаний 2 липня 1967 супутниками Vela 4A, b [4].

Щоб пояснити процеси, які можуть породжувати ГВ, були побудовані сотні теоретичних моделей, таких як зіткнення між кометами і нейтронними зірками [5]. Але даних для підтвердження запропонованих моделей було недостатньо, поки в 1997 не зареєстрували перші рентгенівські і оптичне післясвітіння, і визначили їх червоне зміщення прямим вимірюванням за допомогою оптичного спектроскопа. Ці відкриття і наступні дослідження галактик і наднових, асоційованих з ГВ, допомогли оцінити яскравість і відстані до ГВ, остаточно розмістивши їх у віддалених галактиках і зв'язавши ГВ зі смертю масивних зірок. Проте процес дослідження ГВ ще далеко не закінчений і залишається однією з найбільших загадок астрофізики. Неповною є навіть наглядова класифікація ГВ на довгі і короткі.

ГВ реєструються приблизно раз в день. Як було встановлено в радянському експерименті "Конус", який здійснювався під керівництвом Є. П. Мазеца на космічних апаратах " Венера-11 "," Венера-12 "і" Прогноз "в 1970-і роки [6], ГВ з рівною ймовірністю приходять з будь-якого напрямку, що, разом з експериментально побудованої залежністю Log N - Log S (N - кількість ГВ, що дають близько Землі потік гамма-випромінювання більший або рівний S), говорило про те, що ГВ мають космологічну природу (точніше, пов'язані не з Галактикою або не тільки з нею, але відбуваються у всьому Всесвіті, причому ми їх бачимо з іншого кінця Всесвіту). Напрямок на джерело оцінювалося за допомогою методу тріангуляції.


1. Історія

1963, жовтень: ВПС США запустило на орбіту Землі перших супутник із серії Vela для стеження за ядерними вибухами в атмосфері після укладення в 1963 Московського договору про заборону ядерних випробувань у трьох середовищах. На борту супутника знаходилися детектори рентгенівського, гамма- і нейтронного випромінювання [4].


1.1. Відкриття гамма-сплесків: епоха Vela

Супутники Vela -5A / B в кімнаті збірки. Супутники А і В розділяються після виходу на орбіту.

Багато теорії намагалися пояснити ці спалахи. Більшість стверджувало, що джерела знаходяться в межах Чумацького Шляху. Але ніяких експериментальних підтверджень так і не було зроблено до 1991.


1.2. Накопичення статистики: епоха BATSE

Розподіл по небесній сфері всіх ГВ, виявлених в ході місії BATSE. Автори: G. Fishman et al., BATSE, CGRO, NASA

З 5 квітня 1991 по 4 червня 2000 на орбіті функціонувала Комптонівська гамма-обсерваторія, англ. Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) [16]. На її борту було встановлено детектор Burst and Transient Source Explorer ( BATSE), призначений для реєстрації ГВ-ів. За час його роботи було виявлено 2704 події (тобто приблизно по одному сплеску на добу).

За допомогою BATSE були підтверджені результати ФТІ про те, що ГВ-ки 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 належать нашій галактиці, концентруються у галактичної площини. Відсутність такої властивості у ГВ є сильним доказом їх походження ззовні Чумацького шляху [18] [19] [20], хоча деякі моделі Чумацького шляху все ще узгоджуються з ізотропним розподілом [21].

Також було встановлено наступні емпіричні властивості ГВ-в: велика різноманітність кривих блиску (плавні і порізані на дуже малих тимчасових 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-в, астрономи шукали складову: будь 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 у кількох випадках досить гарного визначення місця розташування ГВ, неможливо було побачити будь-якого 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].


1.3. Открытие послесвечений: эпоха BeppoSAX

Художественное представление спутника BeppoSAX. Авторы: ASI и SDC

Несколько моделей происхождения ГВ предполагали что после первоначальной вспышки гамма лучей должно происходить медленно затухающее излучение на более длинных волнах, образованное вследствие столкновения вещества выбрасываемого в результате вспышки и межзвёздного газа [26]. Это излучение (во всех диапазонах электромагнитного спектра) стали называть "afterglow" ("послесвечение" или "ореол") от ГВ. Ранние поиски "послесвечения" оказались безуспешными, в основном из-за трудностей определения точных координат ГВ на длинных волнах сразу после начальной вспышки.

Прорыв в этом направлении произошёл в феврале 1997 года, когда итало-голландский спутник BeppoSAX обнаружил гамма-всплеск GRB 970228, а через 8 часов детектор рентгеновских лучей (также на борту BeppoSAX) обнаружил затухающее рентгеновское излучение от GRB 970228. Координаты рентгеновского "послесвечения" были определены с гораздо большей точностью, чем для гамма лучей.

Затем наземные оптические телескопы также обнаружили в этом районе слабеющий новый источник, таким образом, его положение стало известно с точностью до секунды. Через некоторое время глубокий снимок Хаббловского телескопа выявил на месте бывшего источника далёкую очень слабую галактику (z=0,7). Таким образом, космологическое происхождение гамма-всплесков было доказано. В дальнейшем послесвечения наблюдались у многих всплесков, во всех диапазонах (рентген, ультрафиолет, оптика, ИК, радио). Красные смещения оказались очень большими (до 6, в основном в диапазоне 0-4 для длинных гамма-всплесков; для коротких - меньше).


1.4. Эра быстрого отождествления: Swift

Запущенный в 2004 году спутник Swift имеет возможность быстрого (менее минуты) оптического и рентгеновского отождествления всплесков. Среди его открытий - мощные, иногда многократные рентгеновские всплески в послесвечениях, через времена до нескольких часов после всплеска; обнаружение послесвечений ещё до окончания собственно гамма-излучения и т. д.


2. Расстояния и энергетика

Из космологической природы гамма-всплесков ясно, что они должны иметь колоссальную энергию. К примеру, для события GRB 970228 в предположении изотропии излучения энергия только в гамма-диапазоне составляет 1,610 52 эрг, что на порядок больше энергии типичной сверхновой. Для некоторых гамма-всплесков оценка доходит до 10 54 эрг, то есть сравнима с энергией покоя Солнца. Причём эта энергия выделяется за очень короткое время.

Достаточно очевидно, что выход энергии происходит в виде коллимированного потока (джета), в этом случае оценка энергии уменьшается пропорционально углу раскрытия конуса джета. Это подтверждается также наблюдениями кривых блеска послесвечений (см. ниже). Типичная энергия всплеска с учётом джетов составляет около 10 51 эрг, но разброс всё равно достаточно большой. Наличие джетов означает, что мы видим малую долю всех происходящих во Вселенной всплесков. Оценка их частоты составляет порядка одного всплеска на галактику раз в 10 5 лет.

События, порождающие гамма-всплески, настолько мощные, что иногда их можно наблюдать невооружённым глазом, хотя они происходят на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли [27].


3. Механизмы гамма-всплесков

Механизм, в результате которого за столь короткое время в малом объёме выделяется столько энергии, до сих пор не вполне ясен. Наиболее вероятно, что он различен в случае коротких и длинных гамма-всплесков. На сегодняшний день различают два основных подвида ГВ: длинные и короткие, имеющие существенные различия в спектрах и наблюдательных проявлениях. Так, длинные гамма-всплески иногда сопровождаются взрывом сверхновой звезды, а короткие - никогда. Есть и две основные модели, объясняющие эти два типа катаклизмов.


3.1. Длинные гамма-всплески и сверхновые

Длинные гамма-всплески, вероятно, связаны со сверхновыми Ib/c типа. В нескольких случаях оптически отождествлённый источник через некоторое время после всплеска показывал характерные для сверхновых спектры и кривые блеска. Кроме того, в большинстве случаев отождествления с галактиками они имели признаки активного звездообразования.

Далеко не все сверхновые типа Ib/c могут стать причиной гамма-всплеска. Это события, связанные с коллапсом в чёрную дыру ядра массивной (>25 масс Солнца) звезды, лишённой водородной оболочки, имеющей большой момент вращения - так называемая модель коллапсара. По расчётам, часть ядра превращается в чёрную дыру, окружённую мощным аккреционным диском, который в течение нескольких секунд проваливается в дыру. Одновременно вдоль оси диска запускаются релятивистские джеты, пробивающие оболочку звезды и становящиеся причиной всплеска. Таких случаев должно быть около 1 % от общего числа сверхновых (иногда их называют гиперновыми).

Основная модель длинных гамма-всплесков предложена американским учёным С. Вусли - модель коллапсара под неудачным названием "неполучившаяся сверхновая" (англ. failed supernova ; Woosley 1993). У цій моделі гамма-сплеск породжується джетом (струменем) при колапсі масивної зірки Вольфа-Райе (по суті, гелієвого або вуглецево-кисневого ядра нормальної зірки). Ця модель в принципі може описувати довгі (але не занадто довгі) ГВ. Деякий розвиток цієї моделі було зроблено польським вченим Б. Пачіньскім, який використовував набагато більш вдалий термін " вибух гіперновой "( англ. hypernova explosion ; Paczynski, 1998).

Термін " гіперновая "використовувався набагато раніше іншими астрофізиками в іншому контексті.


3.2. Короткі гамма-сплески і злиття релятивістських об'єктів

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 ототожнені короткі гамма-сплески лежать на систематично менших відстанях, ніж довгі, і мають менше енерговиділення.

Модель, що підходить для опису коротких гамма-сплесків, запропонована радянськими астрофізиками С. І. Блинникова та ін [29], - злиття подвійних нейтронних зірок.


4. Післясвітіння: релятивістські джети

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 однієї моделі, оболонка складається з баріонів (маса її повинна становити 10 -8 - 10 -6 мас Сонця), за іншою - це замагніченій течія, в якому основна енергія переноситься вектором Пойнтінга.

Вельми істотно, що в багатьох випадках спостерігається сильна змінність як в самому гамма-випромінюванні (на часах порядку вирішення приладу - мілісекунд), так і в рентгенівських та 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.

Післясвічення забезпечується в основному синхротронним механізмом і, можливо, зворотним комптонівського розсіяння.

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.


Примітки

  1. В літературі - і ЗМІ зустрічається також термін гамма-спалах.
  2. Podsiadlowski 2004
  3. Melott 2004
  4. 1 2 3 4 5 Gamma-Ray Bursts: a brief history - imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/GRB_history.pdf. NASA. Статичний - www.webcitation.org/65E4PZzV7 з першоджерела 5 лютого 2012.
  5. Hurley 2003
  6. Mazets, EP, Golenetskii, SV, et al. (1979). " Venera 11 and 12 observations of gamma-ray bursts - The Cone experiment - adsabs.harvard.edu/abs/1979SvAL....5...87M ". Soviet Astronomy Letters 5: 87-90.
  7. Лучков Б. І., Митрофанов І. Г., Розенталь І. Л. Про природу космічних гамма-сплесків - ufn.ru/ru/articles/2010/4/g /. - УФН, 1996. - Т. 166. - № 7. - С. 743-762.
  8. NASA HEASARC: IMP-6. - heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/heasarc/missions/imp6.html. NASA. Статичний - www.webcitation.org/65E4Q5SBj з першоджерела 5 лютого 2012.
  9. NASA HEASARC: OSO-7. - heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/oso7/oso7.html. NASA. Статичний - www.webcitation.org/65E4QyXeA з першоджерела 5 лютого 2012.
  10. Мазец Є. П., Голенецкій С. В., Ільїнський В. Н. Спалах космічного гамма-випромінювання за спостереженнями на ШСЗ "Космос-461" - www.jetpletters.ac.ru/ps/859/article_13192.shtml / / Листи в ЖЕТФ. - 1974. - Т. 19. - С. 126-128.
  11. Klebesadel RW et al. Observations of gamma-ray bursts of cosmic origin - adsabs.harvard.edu/doi/10.1086/181225. - USA.: ApJ., 1973. - Т. 182. - С. 85-88.
  12. Schilling 2002, p. 19-20
  13. Аптекар Р.Л., Голенецкій С.В., Мазец Е.П., Пальшін В.Д., Фредерікс Д.Д. Дослідження космічних гамма-сплесків і м'яких гамма-репітерів в експериментах ФТІ КОНУС - ufn.ru / ru / articles/2010/4/g /. - УФН, 2010. - Т. 180. - С. 420-424.
  14. Голенецкій С.В., Мазец Е.П. / / Сб Астрофізика і космічна фізика. - М .: Физматлит, 1982. - С. 216.
  15. Голенецкій С.В., Мазец Е.П. / / Сб Астрофізика і космічна фізика (Підсумки науки і техніки. Сер. Астрономія). - М .: ВІНІТІ, 1987. - Т. 32. - С. 16.
  16. NASA HEASARC: CGRO. - heasarc.gsfc.nasa.gov / docs / cgro / cgro.html. NASA. Статичний - www.webcitation.org/65E4RfS6W з першоджерела 5 лютого 2012.
  17. Meegan, CA et al. (1992). "Spatial distribution of gamma-ray bursts observed by BATSE". Nature 355: 143. DOI : 10.1038/355143a0 - dx.doi.org/10.1038/355143a0.
  18. Schilling, Govert (2002). "Flash! The hunt for the biggest explosions in the universe".
  19. Paczyński, B. (1995). "How Far Away Are Gamma-Ray Bursters?". Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107: 1167. DOI : 10.1086/133674 - dx.doi.org/10.1086/133674. Bibcode : 1995PASP .. 107.1167P - adsabs.harvard.edu/abs/1995PASP..107.1167P.
  20. Piran, T. (1992). "The implications of the Compton (GRO) observations for cosmological gamma-ray bursts". Astrophysical Journal Letters 389: L45. DOI : 10.1086/186345 - dx.doi.org/10.1086/186345.
  21. Lamb, DQ (1995). "The Distance Scale to Gamma-Ray Bursts". Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107: 1152. DOI : 10.1086/133673 - dx.doi.org/10.1086/133673. Bibcode : 1995PASP .. 107.1152 - adsabs.harvard.edu/abs/1995PASP..107.1152.
  22. Hurley, K., Cline, T. and Epstein, R. (1986). "Error Boxes and Spatial Distribution" in Gamma-Ray Bursts. Liang, EP and Petrosian, V. AIP Conference Proceedings 141: 33-38, American Institute of Physics.
  23. Pedersen, H. et al. (1986). "Deep Searches for Burster Counterparts" in Gamma-Ray Bursts. Liang, Edison P.; Petrosian, Vah AIP Conference Proceedings 141: 39-46, American Institute of Physics.
  24. Hurley, K. (1992). "Gamma-Ray Bursts - Receding from Our Grasp". Nature 357: 112. DOI : 10.1038/357112a0 - dx.doi.org/10.1038/357112a0. Bibcode : 1992Natur.357 .. 112H - adsabs.harvard.edu/abs/1992Natur.357..112H.
  25. Fishman, CJ and Meegan, CA (1995). "Gamma-Ray Bursts". Annual Review of Astronomy and Astrophysics 33: 415-458. DOI : 10.1146/annurev.aa.33.090195.002215 - dx.doi.org/10.1146/annurev.aa.33.090195.002215.
  26. Paczyński, B. and Rhoads, JE (1993). "Radio Transients from Gamma-Ray Bursters". Astrophysics Journal 418: 5. DOI : 10.1086/187102 - dx.doi.org/10.1086/187102. Bibcode : 1993ApJ ... 418L ... 5P - adsabs.harvard.edu/abs/1993ApJ...418L...5P.
  27. Найяскравіший вибух Всесвіту - www.gazeta.ru/science/2008/09/11_a_2836426.shtml
  28. Елементи - новини науки: Злиття нейтронних зірок може служити джерелом енергії коротких гамма-сплесків - elementy.ru/news/431562
  29. Blinnikov, S., et al. (1984). " Exploding Neutron Stars in Close Binaries - Astronomy Letters 10: 177.

Література


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Гамма-ДЕ
Гамма (музика)
Гамма Цефея
Гамма Цефея A b
Гамма (обсерваторія)
Гамма-розподіл
Гамма-С1Е
Гамма-астрономія
Гамма Лебедя
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru