Un grand intérêt pour l'astrophysique et la cosmologie modernes est une classe spéciale de phénomènes appelés sursauts gamma. Depuis plusieurs décennies, et particulièrement activement ces dernières années, la science accumule des données d'observation concernant ce phénomène cosmique à grande échelle. Sa nature n'a pas encore été totalement élucidée, mais il existe des modèles théoriques suffisamment étayés qui prétendent l'expliquer.
Le concept du phénomène
Le rayonnement gamma est la région la plus dure du spectre électromagnétique, formé par des photons à haute fréquence d'environ 6∙1019 Hz. Les longueurs d'onde des rayons gamma peuvent être comparables à la taille d'un atome, et peuvent également être inférieures de plusieurs ordres de grandeur.
Le sursaut gamma est un sursaut bref et extrêmement lumineux de rayons gamma cosmiques. Sa durée peut être de quelques dizaines de millisecondes à plusieurs milliers de secondes; le plus souvent inscritclignote pendant environ une seconde. La luminosité des rafales peut être importante, des centaines de fois supérieure à la luminosité totale du ciel dans la gamme gamma douce. Les énergies caractéristiques vont de plusieurs dizaines à des milliers de kiloélectronvolts par quantum de rayonnement.
Les sources d'éruptions sont uniformément réparties sur la sphère céleste. Il a été prouvé que leurs sources sont extrêmement éloignées, à des distances cosmologiques de l'ordre de milliards d'années-lumière. Une autre caractéristique des rafales est leur profil de développement varié et complexe, autrement connu sous le nom de courbe de lumière. L'enregistrement de ce phénomène se produit presque tous les jours.
Historique des études
La découverte a eu lieu en 1969 lors du traitement des informations des satellites militaires américains Vela. Il s'est avéré qu'en 1967, les satellites ont enregistré deux courtes impulsions de rayonnement gamma, que les membres de l'équipe n'ont pu identifier avec rien. Au fil des ans, le nombre de ces événements a augmenté. En 1973, les données de Vela ont été déclassifiées et publiées, et des recherches scientifiques ont commencé sur le phénomène.
À la fin des années 1970 et au début des années 1980 en Union soviétique, une série d'expériences KONUS a établi l'existence de courtes rafales d'une durée allant jusqu'à 2 secondes, et a également prouvé que les rafales de rayonnement gamma sont distribuées de manière aléatoire.
En 1997, le phénomène de "rémanence" a été découvert - la lente décroissance de la rafale à des longueurs d'onde plus longues. Après cela, les scientifiques ont réussi pour la première fois à identifier l'événement avec un objet optique - une galaxie à décalage vers le rouge très éloignée.z=0, 7. Cela a permis de confirmer la nature cosmologique du phénomène.
En 2004, l'observatoire orbital de rayons gamma Swift a été lancé, grâce auquel il est devenu possible d'identifier rapidement les événements de gamme gamma avec des sources de rayons X et de rayonnement optique. Actuellement, plusieurs autres appareils fonctionnent en orbite, dont le télescope spatial à rayons gamma. Fermi.
Classement
Actuellement, sur la base des caractéristiques observées, on distingue deux types de sursauts gamma:
- Long, caractérisé par une durée de 2 secondes ou plus. Il y a environ 70% de ces épidémies. Leur durée moyenne est de 20 à 30 secondes et la durée maximale enregistrée de l'éruption GRB 130427A était supérieure à 2 heures. Il y a un point de vue selon lequel des événements aussi longs (il y en a maintenant trois) devraient être distingués comme un type spécial de rafales ultra-longues.
- Court. Ils se développent et s'estompent dans un laps de temps court - moins de 2 secondes, mais durent en moyenne environ 0,3 seconde. Le détenteur du record jusqu'à présent est le flash, qui n'a duré que 11 millisecondes.
Ensuite, nous examinerons les causes les plus probables des GRB des deux principaux types.
Hypernova fait écho
Selon la plupart des astrophysiciens, les sursauts longs sont le résultat de l'effondrement d'étoiles extrêmement massives. Il existe un modèle théorique qui décrit une étoile en rotation rapide avec une masse de plus de 30 masses solaires, qui à la fin de sa vie donne naissance à un trou noir. Le disque d'accrétionun tel objet, un collapsar, est dû à la chute rapide de la matière de l'enveloppe stellaire sur le trou noir. Le trou noir l'avale en quelques secondes.
En conséquence, de puissants jets de gaz ultrarelativistes polaires se forment - des jets. La vitesse d'écoulement de la matière dans les jets est proche de la vitesse de la lumière, la température et les champs magnétiques dans cette région sont énormes. Un tel jet est capable de générer un flux de rayonnement gamma. Le phénomène a été appelé hypernova, par analogie avec le terme "supernova".
Bon nombre des longues rafales de rayons gamma sont identifiées de manière assez fiable avec des supernovae avec un spectre inhabituel dans les galaxies lointaines. Leur observation dans la gamme radio a indiqué l'existence possible de jets ultrarelativistes.
Collision d'étoiles à neutrons
Selon le modèle, de courtes rafales se produisent lorsque des étoiles à neutrons massives ou une paire étoile à neutrons-trou noir fusionnent. Un tel événement a reçu un nom spécial - "kilon", puisque l'énergie émise dans ce processus peut dépasser la libération d'énergie de nouvelles étoiles de trois ordres de grandeur.
Une paire de composants supermassifs forme d'abord un système binaire émettant des ondes gravitationnelles. En conséquence, le système perd de l'énergie et ses composants tombent rapidement les uns sur les autres le long de trajectoires en spirale. Leur fusion génère un objet en rotation rapide avec un champ magnétique puissant d'une configuration spéciale, grâce à laquelle, encore une fois, des jets ultrarelativistes se forment.
La simulation montre que le résultat est un trou noir avec un toroïde de plasma d'accrétion tombant sur le trou noir en 0,3 seconde. L'existence de jets ultrarelativistes générés par accrétion dure la même durée. Les données d'observation sont généralement cohérentes avec ce modèle.
En août 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont détecté une fusion d'étoiles à neutrons dans une galaxie à 130 millions d'années-lumière. Les paramètres numériques de la kilonova se sont avérés être différents de ce que prédit la simulation. Mais l'événement d'onde gravitationnelle s'est accompagné d'une courte rafale dans la gamme des rayons gamma, ainsi que d'effets dans les rayons X jusqu'aux longueurs d'onde infrarouges.
Flash étrange
Le 14 juin 2006, l'observatoire Swift Gamma a détecté un événement inhabituel dans une galaxie pas trop massive située à 1,6 milliard d'années-lumière. Ses caractéristiques ne correspondaient pas aux paramètres des flashs longs et courts. Le sursaut gamma GRB 060614 avait deux impulsions: premièrement, une impulsion dure de moins de 5 secondes, puis une "queue" de 100 secondes de rayons gamma plus doux. Les signes d'une supernova dans la galaxie n'ont pas pu être détectés.
Il n'y a pas si longtemps, des événements similaires ont déjà été observés, mais ils étaient environ 8 fois plus faibles. Cette poussée hybride ne rentre donc pas encore dans le cadre du modèle théorique.
Il y a eu plusieurs hypothèses sur l'origine du sursaut gamma anormal GRB 060614. Dans-Tout d'abord, nous pouvons supposer qu'il est vraiment long et que les caractéristiques étranges sont dues à certaines circonstances spécifiques. Deuxièmement, le flash était court et la "queue" de l'événement, pour une raison quelconque, a acquis une grande longueur. Troisièmement, on peut supposer que les astrophysiciens ont rencontré un nouveau type de sursauts.
Il y a aussi une hypothèse complètement exotique: sur l'exemple de GRB 060614, les scientifiques ont rencontré le soi-disant "trou blanc". Il s'agit d'une région hypothétique de l'espace-temps qui a un horizon des événements, mais se déplace le long de l'axe du temps opposé à un trou noir normal. En principe, les équations de la théorie générale de la relativité prédisent l'existence de trous blancs, mais il n'y a pas de conditions préalables à leur identification ni d'idées théoriques sur les mécanismes de formation de tels objets. Très probablement, l'hypothèse romantique devra être abandonnée et se concentrer sur le recalcul des modèles.
Danger potentiel
Les sursauts gamma dans l'Univers sont omniprésents et se produisent assez souvent. Une question naturelle se pose: représentent-ils un danger pour la Terre ?
Théoriquement calculé les conséquences pour la biosphère, qui peut provoquer un rayonnement gamma intense. Donc, avec une libération d'énergie de 1052 erg (ce qui correspond à 1039 MJ soit environ 3,3∙1038 kWh) et à une distance de 10 années-lumière, l'effet du sursaut serait catastrophique. Il a été calculé que sur chaque centimètre carré de la surface de la Terre dans l'hémisphère qui aurait le malheur d'être touché par des rayons gammadébit, 1013 erg, soit 1 MJ, soit 0,3 kWh d'énergie seront libérés. L'autre hémisphère ne sera pas en difficulté non plus - tous les êtres vivants y mourront, mais un peu plus tard, en raison d'effets secondaires.
Cependant, il est peu probable qu'un tel cauchemar nous menace: il n'y a tout simplement aucune étoile près du Soleil qui puisse fournir une libération d'énergie aussi monstrueuse. Le destin de devenir un trou noir ou une étoile à neutrons ne menace pas non plus les étoiles proches de nous.
Bien sûr, un sursaut gamma constituerait une menace sérieuse pour la biosphère et à une distance beaucoup plus grande, cependant, il convient de garder à l'esprit que son rayonnement ne se propage pas de manière isotrope, mais dans un flux plutôt étroit, et la probabilité d'y tomber depuis la Terre est bien moindre qu'en général sans le remarquer.
Perspectives d'apprentissage
Les sursauts gamma cosmiques sont l'un des plus grands mystères astronomiques depuis près d'un demi-siècle. Aujourd'hui, le niveau de connaissance à leur sujet est très avancé en raison du développement rapide des outils d'observation (y compris spatiaux), du traitement des données et de la modélisation.
Par exemple, il n'y a pas si longtemps, une étape importante a été franchie pour clarifier l'origine du phénomène de rafale. Lors de l'analyse des données du satellite Fermi, il a été constaté que le rayonnement gamma est généré par des collisions de protons de jets ultrarelativistes avec des protons de gaz interstellaire, et les détails de ce processus ont été affinés.
Il est censé utiliser la rémanence d'événements distants pour des mesures plus précises de la distribution du gaz intergalactique jusqu'à des distances déterminées par le redshift Z=10.
En même tempsUne grande partie de la nature des sursauts est encore inconnue, et nous devrions attendre l'émergence de nouveaux faits intéressants et de nouveaux progrès dans l'étude de ces objets.
