Izbruhi gama žarkov (GRB): definicija, vzroki in posledice
Izbruhi gama žarkov (GRB): razumite definicijo, vzroke in posledice izjemno energičnih eksplozij, nastanek črnih lukenj, združitve nevtronskih zvezd in vpliv na Zemljo.
Izbruhi žarkov gama (GRB) so prebliski žarkov gama, ki nastanejo pri izjemno energičnih eksplozijah. Opazili so jih v oddaljenih galaksijah in so najsvetlejši znani elektromagnetni dogodki v vesolju. Izbruhi so kratkotrajni, zelo intenzivni in pogosto nepričakovani, zato za njihovo zaznavanje potrebujemo satelite in hitre sledeče opazovalne sisteme.
Kaj je GRB in kako dolgo trajajo
Izbruhi lahko trajajo od milisekund do več minut; običajni izbruh traja nekaj sekund. Začetnemu izbruhu običajno sledi dlje časa trajajoč "popotresni sij" (afterglow), ki se oddaja pri daljših valovnih dolžinah — rentgenski, ultravijolični, vidna svetloba, infrardeči in radijski valovi. Afterglow nastane, ko relativistični snop trči v medzvezdni plin in oddaja svetlobo preko procesov, kot je sinkrotronsko sevanje.
Klasifikacija in vzroki
GRB-je ločimo v glavne razrede glede na dolžino izbruha in spektralne lastnosti. Pojavijo se predvsem dve skupini:
- Dolgi izbruhi (običajno > 2 sekundi) so povezani z zrušitvijo velikih masivnih zvezd in eksplozijo v obliki supernove, ko ogromen, hitro vrteč se jedrni ostanek propade in nastane črna luknja — model pogosto imenujemo "collapsar". Dolgi GRB so pogosto povezani z mlado, aktivno zvezdno populacijo v gostiteljskih galaksijah.
- Kratki izbruhi (običajno < 2 sekundi) verjetno izhajajo iz združitve kompaktnih objektov, na primer združitve dveh dvojnih nevtronskih zvezd ali nevtronske zvezde in črne luknje. Takšni dogodki so potrdili tudi opazovanja v gravitacijskih valovih (npr. primer GW170817/GRB 170817A), kar je močno podprlo to razlago.
Fizični mehanizmi izsevanja
Večina GRB-jev je ozek snop intenzivnega sevanja — relativistični žarki ali "jeti" — ki jih opazimo le, če so usmerjeni proti nam. V jetu se energija prenaša z delci in magnetnimi polji; notranji procesi (kot so notranji šoki ali magnetna rekonekcija) proizvedejo hitre spremembe intenzitete in spektra med prvotnim izbruhom, medtem ko zunanji šoki oddajo afterglow. Zaradi relativističnih hitrosti so opažene časovne skale skrajšane in svetlost izjemno velika.
Razdalje, energija in pogostnost
Izvori večine GRB so od Zemlje oddaljeni več milijard svetlobnih let. To pomeni, da so eksplozije izjemno energične: tipičen izbruh v nekaj sekundah sprosti toliko energije kot Sonce v svoji celotni življenjski dobi 10 milijard let. Vendar tridimenzionalno oddajanje v ozkem snopu pomeni, da je energija, sproščena v resnici, pogosto manjša od izračunane "izotropne ekvivalentne" vrednosti. GRB-ji so zelo redki (ocenjuje se nekaj na galaksijo na milijon let), vendar jih zaradi velike observabilne prostornine zaznamo pogosto na nebu.
GRB v naši Galaksiji in podobni pojavi
Vsi opaženi GRB-ji prihajajo izven galaksije Mlečnacesta. Podobni, a ločeni pojavi — mehki izbruhi gama ali veliki izbruhi iz magnetarjev — pa so bili opaženi znotraj Galaksije. Primer iz leta 2004 (ogromna sprožitev iz SGR 1806-20) je pokazal, da lahko magnetarji proizvedejo kratke, a zelo intenzivne izbruhe gama, ki jih v primeru bližnje lege zaznamo kot močne dogodek znotraj naše Galaksije.
Možne posledice za Zemljo
Domnevali so, da bi izbruh sevanja gama v galaksiji lahko povzročil množično izumrtje na Zemlji zaradi uničenja ozonskega plašča in povečanja škodljivega ultravijoličnega sevanja. Tak scenarij je teoretičen in za zdaj ni znan primer, kjer bi to dejansko nastopilo. Verjetnost, da bi nevaren GRB usmerjen neposredno proti Zemlji nastopil v bližnji geološki preteklosti, je majhna, a znanstveniki to možnost proučujejo kot enega izmed potencialnih dejavnikov v zgodovini izumrtij.
Opazovanje, instrumenti in pomen za astronomijo
GRB odkrivajo specializirani sateliti in inštrumenti, ki lahko hitro zaznajo gama-svetlobo in posredujejo koordinate drugim teleskopom za hitro naslednjo opazovanje afterglowa. Pomembne misije in opazovalnice so bile BATSE, BeppoSAX, Swift in Fermi, ki so močno razširile naše razumevanje pojava. Multimedijske opazovanja (od gama do radia) in združevanje z opažanji gravitacijskih valov omogočajo neposredno povezavo med izbruhi in njihovimi izvorni procesi, kar odpira vpogled v eksplozijsko fiziko, nastanek črnih lukenj in evolucijo zvezdnih ostankov.
Zaključek
Izbruhi gama so ključni za razumevanje najenergetičnejših dogodkov v vesolju: predstavljajo prehodne, a izjemno svetle eksplozije, povezane z življenjskimi konci masivnih zvezd ali združitvami kompaktnih objektov. Zaradi svoje svetlosti služijo tudi kot šibke "sveče" za preučevanje zgodnjega vesolja in formiranja galaksij, hkrati pa ostajajo predmet aktivnega raziskovanja glede detajlov mehanizmov sproščanja energije in vplivov na okolico gostiteljskih galaksij.
Umetniška ilustracija svetlega izbruha žarkov gama, ki se pojavi v območju nastajanja zvezd. Energija iz eksplozije se pretaka v dva ozka, nasprotno usmerjena curka.
Zgodovina
Izbruhe žarkov gama so konec šestdesetih let prejšnjega stoletja prvič opazili ameriški sateliti Vela, ki so bili zgrajeni za zaznavanje impulzov sevanja gama, ki jih je oddajalo jedrsko orožje, preizkušeno v vesolju.
2. julija 1967 ob 14.19 UTC sta satelita Vela 4 in Vela 3 zaznala blisk sevanja gama, ki ni bil podoben nobeni znani sledi jedrskega orožja. Ekipa v znanstvenem laboratoriju Los Alamos ni vedela, kaj se je zgodilo, vendar se ji zadeva ni zdela posebej nujna, zato je podatke shranila za preiskavo.
Z analizo različnih časov prihoda izbruhov, ki so jih zaznali različni sateliti, je ekipi uspelo določiti grobe ocene položaja šestnajstih izbruhov na nebu12-16 in dokončno izključiti zemeljski ali sončni izvor. Odkritje je bilo objavljeno leta 1973.
Položaji vseh izbruhov žarkov gama, zaznanih med misijo BATSE, na nebu. Razporeditev je naključna, brez koncentracije proti ravnini galaksije, ki poteka vodoravno skozi središče slike.
Dolgi izbruhi žarkov gama
Večina opazovanih dogodkov traja več kot dve sekundi in jih uvrščamo med dolge izbruhe žarkov gama. Preučevali so jih veliko bolj podrobno kot njihove kratke različice. Skoraj vsak dobro raziskan dolg izbruh sevanja gama je bil povezan z galaksijo, ki hitro tvori zvezde, v mnogih primerih pa tudi s supernovo s kolapsi jedra. To povezuje dolge GRB-je s smrtjo masivnih zvezd. Opazovanja dolgih žarkov po GRB pri velikem rdečem premiku (velike razdalje) prav tako kažejo, da GRB izvirajo iz območij, kjer nastajajo zvezde. Opazovanje oddaljenih galaksij namreč pomeni pogled nazaj v preteklost, v galaksije v zgodnejši fazi.
Energetika
Izbruhi žarkov gama naj bi bili zelo osredotočene eksplozije, pri katerih večina energije eksplozije v ozkem relativističnem curku potuje s hitrostjo več kot 99,995 % svetlobne hitrosti.
Približno kotno širino curka (tj. stopnjo sevanja) lahko neposredno ocenimo z opazovanjem "prekinitev curka" v svetlobnih krivuljah sipanja: čas, po katerem počasi pojemajoči sipanje začne nenadoma bledeti, saj se curek upočasni in ne more več tako učinkovito oddajati svojega sevanja. Opazovanja kažejo, da se kot jetov precej spreminja, in sicer od 2 do 20 stopinj.
Ker je njihova energija močno usmerjena (zelo ozka), gama žarki, ki jih oddaja večina izbruhov, zgrešijo Zemljo in jih nikoli ne zaznamo. Ko je izbruh žarkov gama usmerjen proti Zemlji, je zaradi osredotočanja njegove energije v razmeroma ozkem snopu videti veliko svetlejši, kot bi bil, če bi se njegova energija oddajala sferično. Če upoštevamo ta učinek, opazimo, da tipični izbruhi žarkov gama v resnici sproščajo energijo približno 1044 J ali približno 1/2000 energijskega ekvivalenta Sončeve mase.
To je primerljivo z energijo, ki se sprosti v svetli supernovi tipa Ib/c (včasih imenovani "hipernova"). Zelo svetle supernove so bile opažene na lokaciji nekaterih najbližjih GRB.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so izbruhi žarkov gama?
O: Izbruhi žarkov gama (GRB) so prebliski žarkov gama, ki nastanejo pri izjemno energičnih eksplozijah.
V: Kako dolgo običajno trajajo izbruhi GRB?
O: GRB lahko trajajo od milisekund do več minut, čeprav tipični izbruh traja nekaj sekund.
V: Kaj je vir večine GRB?
O: Večina GRB je ozek snop intenzivnega sevanja, ki se sprosti med supernovo, ko ogromna hitro vrteča se zvezda propade in nastane črna luknja.
V: Od kod prihaja večina opazovanih GRB?
O: Vsi opaženi GRB izvirajo zunaj galaksije Mlečna cesta.
V: Koliko energije sprosti povprečen izbruh?
O: Običajni izbruh v nekaj sekundah sprosti toliko energije, kot jo sprosti Sonce v svoji celotni življenjski dobi 10 milijard let.
V: Kako redki so dogodki GRB?
O: So zelo redki (nekaj na galaksijo na milijon let).
V: Ali lahko izbruhi žarkov gama v naši galaksiji predstavljajo kakšno nevarnost?
O: Domnevali so, da bi izbruh žarkov gama v galaksiji lahko povzročil množično izumrtje na Zemlji, vendar tak primer ni znan.
Iskati