Великий інтерес для сучасної астрофізики та космології представляє особливий клас явищ, що одержав назву гамма-сплесків. Протягом декількох десятків років, і особливо активно в останні роки, наука накопичує спостережні дані, що стосуються цього масштабного космічного феномена. Природа його ще не з’ясовано остаточно, але існують досить обґрунтовані теоретичні моделі, які претендують на її пояснення.
Поняття про явище
Гамма-випромінювання – це найжорсткіша область електромагнітного спектра, формована фотонами високої частоти – приблизно від 6∙1019 Гц. Довжини хвиль гамма-квантів можуть бути порівнянні з розмірами атома, а також можуть бути менше його на кілька порядків.
Гамма-сплеском називають короткочасну і надзвичайно яскравий спалах космічного гамма-випромінювання. Тривалість її може складати від декількох десятків мілісекунд до декількох тисяч секунд; найчастіше реєструються спалахи тривалістю близько секунди. Яскравість спалахів буває суттєвою, в сотні разів вище сумарної яскравості неба в м’якому гамма-діапазоні. Характерні енергії становлять від декількох десятків до тисячі килоэлектронвольт на квант випромінювання.
Джерела спалахів розподіляються по небесній сфері рівномірно. Доведено, що джерела їх знаходяться дуже далеко, на космологічних відстанях порядку мільярдів світлових років. Ще одна особливість сплесків – різноманітний і складний профіль ” розвитку, інакше званий кривої блиску. Реєстрація цього явища відбувається практично кожен день.
Історія вивчення
Відкриття відбулося в 1969 році при обробці інформації з американських військових супутників Vela. З’ясувалося, що в 1967 році супутники зафіксували два коротких імпульсу гамма-випромінювання, які співробітники групи не змогли ні з чим ототожнити. Протягом декількох років кількість подібних подій зросло. У 1973 році дані Vela були розсекречені і опубліковані, і почалося наукове дослідження феномену.
В кінці 1970-х – початку 1980-х років у Радянському Союзі в ході серії експериментів КОНУС було встановлено існування коротких сплесків тривалістю до 2 секунд, а також доведено, що спалахи гамма-випромінювання розподіляються випадковим чином.
У 1997 році було відкрито явище «післясвітіння» – повільного згасання сплеску на більш довгих хвилях. Після цього вчені вперше зуміли ототожнити подія з оптичним об’єктом – дуже далекої галактики з червоним зміщенням z=0,7. Це дозволило підтвердити космологічну природу феномена.
У 2004 році була запущена орбітальна гамма-обсерваторія Swift, з допомогою якої стало можливим швидке ототожнення подій гамма-діапазону з рентгенівськими і оптичними джерелами випромінювання. В даний час на орбіті працюють ще кілька апаратів, у тому числі космічний гамма-телескоп ім. Фермі.
Класифікація
В даний час на основі спостережуваних особливостей виділяють два типу гамма-сплесків:
- Довгі, характеризуються тривалістю від 2 секунд. Таких спалахів налічується близько 70 %. Середня тривалість їх – 20-30 секунд, а максимальна зареєстрована тривалість спалаху GRB 130427A склала більше 2 годин. Є точка зору, згідно якої настільки довгі події (їх зараз налічується три) слід виділити в особливий тип ультрадлинных сплесків.
- Короткі. Вони розвиваються і загасають у вузьких часових рамках – менше 2 секунд, в середньому тривають близько 0,3 секунд. Рекордсменом поки є спалах, яка тривала всього 11 мілісекунд.
Далі ми розглянемо найбільш ймовірні причини гамма-сплесків двох основних типів.
Ехо гиперновых
На думку більшості астрофізиків, довгі сплески є результатом колапсу надзвичайно масивних зірок. Існує теоретична модель, що описує быстровращающуюся зірку з масою більше 30 сонячних мас, що в кінці свого життя породжує чорну діру. Аккреційний диск у такого об’єкта – коллапсара – виникає за рахунок стрімко падає на чорну діру зоряної речовини оболонки. Чорна діра поглинає її за кілька секунд.
У результаті формуються потужні полярні ультрарелятивистские газові струмені – джети. Швидкість витікання речовини в джетах близька до швидкості світла, температури і магнітні поля в цій сфері-величезні. Така струмінь здатна генерувати потік гамма-випромінювання. Явище отримало назву гиперновой, за аналогією з терміном «наднова».
Багато з довгих сплесків гамма-випромінювання досить надійно ототожнені з мають незвичайний спектр надновими в далеких галактиках. Їх спостереження в радіодіапазоні вказало на можливе існування ультрарелятивистских струменів.
Зіткнення нейтронних зірок
Згідно моделі, виникнення коротких сплесків відбувається при злитті масивних нейтронних зірок або пари нейтронна зірка – чорна діра. Така подія отримало спеціальну назву – «килоновая», оскільки випромінювана в цьому процесі енергія може на три порядки перевершувати енерговиділення нових зірок.
Пара надмасивних компонентів спочатку утворює подвійну систему, випромінюючу гравітаційні хвилі. Внаслідок цього система втрачає енергію, і її компоненти стрімко падають один на одного по спіральним траєкторіям. Злиття їх породжує багатообертний об’єкт, що володіє сильним магнітним полем особливої конфігурації, завдяки якій знову-таки формуються ультрарелятивистские джети.
Моделювання показує, що в результаті утворюється чорна діра з аккреційним плазмовим тороидом, що випадає на чорну діру за 0,3 секунди. Стільки ж часу триває існування ультрарелятивистских струменів, породжених аккрецией. Спостережні дані в цілому узгоджуються з цією моделлю.
У серпні 2017 року гравітаційно-хвильові детектори LIGO і Virgo зареєстрували злиття нейтронних зірок в галактиці, віддаленої на 130 млн світлових років. Чисельні параметри кілоновой виявилися не зовсім такими, як пророкує моделювання. Але гравітаційно-хвильове подія супроводжувалося коротким сплеском у діапазоні гамма-променів, а також ефектами в діапазонах хвиль від рентгенівського до інфрачервоного.
Дивна спалах
14 червня 2006 року гамма-обсерваторія Swift зареєструвала незвичайна подія у не дуже масивної галактиці, розташованій на відстані 1,6 млрд світлових років. Характеристики його не відповідали параметрам як довгих, так і коротких спалахів. Гамма-сплеск GRB 060614 мав два імпульсу: спочатку жорсткий імпульс тривалістю менше 5 секунд, а потім – 100-секундний «хвіст» із більш м’яких гамма-квантів. Ознак наднової в галактиці виявити не вдалося.
Не так давно аналогічні події вже спостерігалися, але вони були приблизно в 8 разів слабкіше. Так що цей гібридний сплеск поки не вкладається в рамки теоретичної моделі.
Гіпотез щодо походження аномального гамма-сплеску GRB 060614 виникло кілька. По-перше, можна припустити, що він справді довгий, а дивні особливості обумовлені якимись специфічними обставинами. По-друге, спалах була короткою, а «хвіст» події чому-небудь придбав велику протяжність. По-третє, можна припустити, що астрофізики зіткнулися з новим типом сплесків.
Є й зовсім екзотична гіпотеза: на прикладі GRB 060614 вчені зіткнулися з так званою «білою дірою». Це гіпотетична область простору-часу, що володіє горизонтом подій, але рухається по осі часу протилежно нормальної чорній дірі. В принципі рівняння загальної теорії відносності передбачають існування білих дір, проте ніяких передумов їх ототожнення і ніяких теоретичних уявлень про механізми формування подібних об’єктів немає. Швидше за все, романтичну гіпотезу доведеться відставити і зосередитися на перерахунку моделей.
Потенційна небезпека
Гамма-сплески у Всесвіті поширені повсюдно відбуваються досить часто. Виникає закономірне питання: чи становлять вони небезпеку для Землі?
Теоретично розраховані наслідки для біосфери, які може викликати інтенсивне гамма-опромінення. Так, при энерговыделении 1052 ерг (що відповідає 1039 МДж або близько 3,3∙1038 кВт∙год) і відстані 10 світлових років ефект від сплеску був би катастрофічним. Підраховано, що на кожному квадратному сантиметрі поверхні Землі в тому півкулі, яке мало б нещастя потрапити під гамма-потік, виділиться 1013 ерг, або 1 МДж, або 0,3 кВт∙год енергії. Іншій півкулі теж не поздоровиться – все живе там загине, але трохи пізніше, внаслідок вторинних ефектів.
Однак навряд чи нам загрожує такий кошмар: поблизу Сонця просто немає зірок, здатних забезпечити настільки жахливий енерговиділення. Доля стати чорною дірою або нейтронної зіркою близьких до нас зірок також не загрожує.
Звичайно, гамма-сплеск представляв би серйозну загрозу біосфері і на значно більшій відстані, однак слід враховувати, що його випромінювання поширюється не ізотропно, а досить вузьким потоком, і ймовірність потрапити в нього у Землі набагато менше, ніж взагалі його не помітити.
Перспективи вивчення
Космічні гамма-сплески – це одна з найбільших астрономічних загадок на протязі вже майже півстоліття. Зараз рівень знань про них значно просунувся вперед завдяки бурхливому розвитку засобів спостереження (включаючи космічні), обробки даних і моделювання.
Наприклад, не так давно зроблено важливий крок у проясненні походження феномену сплесків. При аналізі даних супутника «Фермі» було встановлено, що гамма-випромінювання генерується при зіткненнях протонів ультрарелятивистских джетів з протонами міжзоряного газу, і уточнені деталі цього процесу.
Передбачається використовувати післясвічення далеких подій для більш точних вимірювань розподілу міжгалактичного газу аж до відстаней, які визначаються червоним зміщенням Z=10.
Разом з тим багато чого в природі сплесків ще залишається невідомим, і нам слід чекати появи нових цікавих фактів і подальшого прогресу в області вивчення цих об’єктів.
