Gama spindulių žybsniai (GRB) — apibrėžimas, kilmė ir poveikis
Gama spindulių žybsniai (GRB): kas tai, kaip susidaro iš supernovų arba neutroninių žvaigždžių susijungimų, jų poveikis Žemei ir kosmologinė reikšmė.
Gama spindulių žybsniai (GRB) - tai gama spindulių blyksniai, kuriuos sukelia itin energingi sprogimai. Jie buvo pastebėti tolimose galaktikose. Tai patys ryškiausi elektromagnetiniai reiškiniai, kokie tik yra žinomi visatoje.
Sprogimai gali trukti nuo kelių milisekundžių iki kelių minučių, tačiau įprastas sprogimas trunka kelias sekundes. Po pradinio sprogimo paprastai seka ilgiau trunkantis "povamzdinis švytėjimas", skleidžiamas didesnio ilgio bangomis (rentgeno, ultravioletinės, regimosios šviesos, infraraudonųjų ir radijo bangų).
Dauguma GRB - tai siauras intensyvios spinduliuotės pluoštas, išsiskiriantis supernovos metu, kai didžiulė greitai besisukanti žvaigždė suyra ir suformuoja juodąją skylę. Atrodo, kad GRB ("trumpieji" žybsniai) kyla dėl kitokio proceso, galbūt dėl dvinarių neutroninių žvaigždžių susijungimo.
Daugumos GRB šaltiniai yra už milijardų šviesmečių nuo Žemės. Tai rodo, kad sprogimai yra labai energingi: tipiškas sprogimas per kelias sekundes išskiria tiek energijos, kiek Saulė per visą savo 10 mlrd. metų gyvavimo laikotarpį. Jie yra labai reti (keli kiekvienoje galaktikoje per milijoną metų).
Visi stebimi GRB yra kilę už Pienokelio galaktikos ribų. Panašūs reiškiniai, švelnūs gama žybsniai, yra susiję su magnetarais, esančiais Pieno kelyje. Buvo iškelta prielaida, kad gama spindulių žybsnis Pieno kelyje gali sukelti masinį išnykimą Žemėje. Tokio atvejo nėra žinoma.
Kas sukelia GRB?
GRB klasifikuojami į dvi pagrindines grupes pagal trukmę ir spektrą:
- Ilgieji žybsniai (> ~2 s) dažniausiai siejami su masyvių žvaigždžių gravitaciniu kolapsu (vadinamasis "collapsar" modelis), kai žvaigždės branduolys subyra ir susidaro juodoji skylė, o energija išsisklaido siauru, reliatyvistiniu pluoštu, perveriančiu aplinkines medžiagas.
- Trumpieji žybsniai (< ~2 s) greičiausiai kilę iš kompaktiškų dvinarių sistemų susijungimo – pvz., dviejų neutroninių žvaigždžių arba neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės susijungimo. Tokiuose įvykiuose laukiamas ir gravitacinių bangų signalas (pavyzdys: GW170817 su susijusiu trumpu GRB).
Kaip mes stebime GRB?
GRB pirmą kartą buvo aptikti palydovų paskirtų branduolinių bandymų stebėjimui (Vela satelitai) ir vėliau nuosekliai tyrinėti palydovais ir žemės paviršiaus instrumentais. Šiuolaikiniai pagrindiniai detektoriai – BATSE (ankstesnis), Swift ir Fermi – fiksuoja gama blyksnius ir automatiškai nukreipia rentgeno/optinius teleskopus į jų kryptį, kad būtų užfiksuotas povamzdinis švytėjimas.
Povamzdinis švytėjimas suteikia informacijos apie aplinką ir atstumą (kokybės spektrinės priemonės leidžia nustatyti raudonąjį poslinkį). GRB jau rasti dideliu raudonu poslinkiu, todėl jie yra svarbūs kaip šviesos šaltiniai labai ankstyvoje visatos fazėje ir galimybė tirti ankstyvąsias galaktikas bei reionizaciją.
Energija ir spinduliuotės savybės
GRB turi milžinišką isotropinę ekvivalentinę energiją (kartais viršijančią 10^52–10^54 erg), tačiau daugeliu atvejų spinduliuotė yra stipriai išsijungta siaurame kūgio formos pluošte (angl. beaming), todėl tiksliai apskaičiuota išskiriama energija gali būti kelis ar keliasdešimt kartų mažesnė. Jet'o atidarymo kampas lemia, kiek stebintysis gauna spinduliuotės.
Poveikis Žemei ir rizika
Teoriniai modeliai rodo, kad artimas ir taikinyje esantis GRB galėtų sukelti atmosferos pokyčius, pvz., ozono sluoksnio sluoksnio susilpnėjimą per azoto oksidų išsiskyrimą, o tai padidintų ultravioletinę spinduliuotę pasiekiant Žemę. Tai gali turėti reikšmingų pasekmių biologiniam gyvenimui ir galbūt prisidėti prie masinių išnykimų istorijoje. Tačiau tikimybė, kad Tokio tipo žybsnis būtų nukreiptas tiesiai į Žemę iš artimos galaktikos, yra labai maža dėl retais vykstančių GRB įvykių ir siauro jų spinduliuotės kūgio.
Be to, Pieno kelyje stebėti reiškiniai, vadinami soft gamma repeater (minkštieji gama periodiniai išsiveržimai), kuriuos sukelia magnetarai, kartais imituoja GRB signalus ir gali sukelti stiprius gamos blyksnius vietiniais mastais (pavyzdys — SGR 1806‑20 2004 m. stichinis išsiveržimas). Tokie įvykiai yra mažiau pavojingi už klasikinius kosmologinius GRB.
Mokslinė reikšmė ir ateities tyrimai
- GRB naudojami kaip galingi kosminiai žibintai: tyrinėjant jų povamzdinį švytėjimą, mokslininkai gali nustatyti raudoną poslinkį, tirti vidinę galaktikų aplinką ir ankstyvosios visatos sąlygas.
- Trumpųjų GRB ryšys su kompaktinių objektų susijungimu susiejo gama spindulių astronomiją su gravitacinių bangų astrofizika — bendri stebėjimai suteikia daugiau informacijos apie kilmę ir fiziką.
- Ateities observatorijos (tiek gama, tiek gravitacinių bangų, tiek neutrino detektoriai) leis tiksliau nustatyti GRB kilmę, energijos mechanizmus ir jų vaidmenį galaktikų evoliucijoje.
Santrauka
Gama spindulių žybsniai yra trumpalaikiai, bet itin energetiški reiškiniai, kilę daugiausia už Pienokelio ribų. Jie gali būti susiję su masyvių žvaigždžių žlugimu arba kompaktiškų objektų susiliejimu. Nors pavojus Žemei iš tolimų GRB yra labai mažas, jų studijos atveria unikalią galimybę tirti tolimesnę ir ankstyvesnę visatą, ryšių tarp elektromagnetinių ir gravitacinių bangų fiziką bei žvaigždžių evoliuciją.
Ryškaus gama spindulių žybsnio, įvykusio žvaigždžių formavimosi regione, dailininko iliustracija. Sprogimo energija nukreipiama į dvi siauras, priešingai nukreiptas sroves.
Istorija
Pirmą kartą gama spindulių žybsniai buvo pastebėti XX a. septintojo dešimtmečio pabaigoje per JAV palydovus "Vela", kurie buvo sukurti siekiant aptikti gama spinduliuotės impulsus, skleidžiamus kosmose išbandytų branduolinių ginklų.
1967 m. liepos 2 d. 14:19 UTC palydovai "Vela 4" ir "Vela 3" užfiksavo gama spinduliuotės blyksnį, nepanašų į jokį žinomą branduolinio ginklo požymį. Nežinodami, kas atsitiko, bet nelaikydami šio klausimo itin skubiu, Los Alamoso mokslinės laboratorijos komanda duomenis užregistravo tyrimui.
Išanalizavusi skirtingų palydovų užfiksuotus skirtingus žybsnių atvykimo laikus, komanda galėjo nustatyti apytikslius šešiolikos žybsnių padėties danguje įverčius12-16 ir galutinai paneigti žemiškąją ar Saulės kilmę. Šis atradimas buvo paskelbtas 1973 m.
Visų per BATSE misiją aptiktų gama spindulių žybsnių padėtis danguje. Pasiskirstymas yra atsitiktinis, be koncentracijos link Pieno kelio plokštumos, kuri eina horizontaliai per vaizdo centrą.
Ilgi gama spindulių žybsniai
Dauguma stebėtų įvykių trunka ilgiau nei dvi sekundes ir yra priskiriami ilgiesiems gama spindulių žybsniams. Jie tiriami daug išsamiau nei jų trumpalaikiai atitikmenys. Beveik kiekvienas gerai ištirtas ilgasis gama spindulių žybsnis buvo susijęs su greitai besiformuojančia žvaigždžių galaktika, o daugeliu atvejų - ir su branduolio kolapsą patyrusia supernova. Tai sieja ilgus GRB su masyvių žvaigždžių žūtimi. Ilgų GRB žybsnių po žybsnių stebėjimai esant dideliam raudonajam poslinkiui (dideliems atstumams) taip pat rodo, kad GRB kyla iš žvaigždžių formavimosi regionų. Taip yra todėl, kad stebint tolimas galaktikas galima pažvelgti į ankstyvesnio etapo galaktikas.
Energetika
Manoma, kad gama spindulių žybsniai yra labai koncentruoti sprogimai, kai didžioji dalis sprogimo energijos sklinda siaura reliatyvistine srove, judančia didesniu nei 99,995 % šviesos greičio greičiu.
Apytikslį čiurkšlės kampinį plotį (t. y. spinduliavimo laipsnį) galima tiesiogiai nustatyti stebint "čiurkšlės lūžius" žybsnių šviesos kreivėse: tai laikas, po kurio lėtai nykstanti žybsnių šviesa pradeda staiga blėsti, nes čiurkšlė sulėtėja ir nebegali taip efektyviai spinduliuoti. Stebėjimai rodo, kad reaktyvinės čiurkšlės kampas gerokai svyruoja nuo 2 iki 20 laipsnių.
Kadangi jų energija yra stipriai spinduliuojama (labai siaura), daugumos žybsnių skleidžiami gama spinduliai praleidžia Žemę ir niekada neaptinkami. Kai gama spindulių žybsnis nukreiptas į Žemę, dėl energijos sutelkimo palyginti siaurame pluošte žybsnis atrodo daug ryškesnis, nei būtų, jei jo energija būtų skleidžiama sferiškai. Įvertinus šį efektą, pastebėta, kad tipinių gama spindulių žybsnių tikroji energija yra apie 1044 J, t. y. apie 1/2000 Saulės masės energijos ekvivalento.
Tai prilygsta energijai, išsiskiriančiai per ryškią Ib/c tipo supernovą (kartais vadinamą "hipernova"). Labai ryškios supernovos buvo pastebėtos kai kurių artimiausių GRB padėtyje.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra gama spindulių žybsniai?
A: Gama spindulių žybsniai (GRB) - tai gama spindulių blyksniai, kuriuos sukelia itin energingi sprogimai.
K: Kiek laiko paprastai trunka GRB?
A: GRB gali trukti nuo milisekundžių iki kelių minučių, nors tipinis sprogimas trunka kelias sekundes.
K: Koks yra daugumos GRB šaltinis?
A: Dauguma GRB yra siauras intensyvios spinduliuotės pluoštas, išsiskiriantis supernovos metu, kai didžiulė greitai besisukanti žvaigždė suyra ir susidaro juodoji skylė.
K: Iš kur kyla dauguma stebimų GRB?
A.: Visi stebimi GRB yra kilę už Pieno kelio galaktikos ribų.
K: Kiek energijos vidutiniškai išskiria sprogimas?
A.: Įprastas žybsnis per kelias sekundes išskiria tiek energijos, kiek Saulė per visą savo 10 mlrd. metų gyvavimo laikotarpį.
K: Kaip retai pasitaiko GRB?
A: Jie labai reti (keli kiekvienoje galaktikoje per milijoną metų).
K: Ar gama spindulių žybsniai gali kelti kokį nors pavojų mūsų galaktikoje?
A.: Buvo manoma, kad gama spindulių žybsnis Pieno kelyje gali sukelti masinį išnykimą Žemėje, tačiau toks atvejis nėra žinomas.
Ieškoti