Grande interesse pela astrofísica e cosmologia modernas é uma classe especial de fenômenos chamados explosões de raios gama. Por várias décadas, e especialmente ativamente nos últimos anos, a ciência vem acumulando dados observacionais sobre esse fenômeno cósmico de grande escala. Sua natureza ainda não foi totalmente elucidada, mas existem modelos teóricos suficientemente fundamentados que afirmam explicá-la.
O conceito do fenômeno
A radiação gama é a região mais dura do espectro eletromagnético, formada por fótons de alta frequência de aproximadamente 6∙1019 Hz. Os comprimentos de onda dos raios gama podem ser comparáveis ao tamanho de um átomo e também podem ser várias ordens de magnitude menores.
A explosão de raios gama é uma explosão breve e extremamente brilhante de raios gama cósmicos. Sua duração pode ser de várias dezenas de milissegundos a vários milhares de segundos; mais frequentemente registradoflashes que duram cerca de um segundo. O brilho das rajadas pode ser significativo, centenas de vezes maior que o brilho total do céu na faixa de gama suave. As energias características variam de várias dezenas a milhares de quiloelétron-volts por quantum de radiação.
Fontes de erupções são distribuídas uniformemente sobre a esfera celeste. Está provado que suas fontes estão extremamente distantes, a distâncias cosmológicas da ordem de bilhões de anos-luz. Outra característica das rajadas é seu perfil de desenvolvimento variado e complexo, também conhecido como curva de luz. O registro desse fenômeno ocorre quase todos os dias.
Histórico de estudos
A descoberta ocorreu em 1969 durante o processamento de informações dos satélites militares americanos Vela. Descobriu-se que em 1967, os satélites registraram dois pulsos curtos de radiação gama, que os membros da equipe não conseguiram identificar com nada. Ao longo dos anos, o número de tais eventos aumentou. Em 1973, os dados de Vela foram desclassificados e publicados, e começaram as pesquisas científicas sobre o fenômeno.
No final dos anos 1970 e início dos anos 1980 na União Soviética, uma série de experimentos KONUS estabeleceu a existência de rajadas curtas de até 2 segundos de duração, e também provou que rajadas de radiação gama são distribuídas aleatoriamente.
Em 1997, o fenômeno do "resplandecer" foi descoberto - o lento decaimento da explosão em comprimentos de onda mais longos. Depois disso, os cientistas pela primeira vez conseguiram identificar o evento com um objeto óptico - uma galáxia com redshift muito distante.z=0, 7. Isso permitiu confirmar a natureza cosmológica do fenômeno.
Em 2004, foi lançado o observatório orbital de raios gama Swift, com o qual foi possível identificar rapidamente eventos de alcance gama com fontes de raios-X e radiação óptica. Atualmente, vários outros dispositivos estão operando em órbita, incluindo o Telescópio Espacial de Raios Gama. Fermi.
Classificação
Atualmente, com base nas características observadas, distinguem-se dois tipos de rajadas de raios gama:
- Long, caracterizada por uma duração de 2 segundos ou mais. Existem cerca de 70% desses surtos. Sua duração média é de 20 a 30 segundos, e a duração máxima registrada do flare GRB 130427A foi de mais de 2 horas. Há um ponto de vista segundo o qual esses eventos longos (agora são três) devem ser distinguidos como um tipo especial de rajadas ultralongas.
- Curta. Eles se desenvolvem e desaparecem em um curto período de tempo - menos de 2 segundos, mas duram em média cerca de 0,3 segundos. O recordista até agora é o flash, que durou apenas 11 milissegundos.
A seguir, veremos as causas mais prováveis de GRBs dos dois tipos principais.
Ecos de hipernova
De acordo com a maioria dos astrofísicos, explosões longas são o resultado do colapso de estrelas extremamente massivas. Existe um modelo teórico que descreve uma estrela em rotação rápida com uma massa superior a 30 massas solares, que no final da sua vida dá origem a um buraco negro. O disco de acreçãotal objeto, um colapsar, surge devido à matéria do envelope estelar caindo rapidamente no buraco negro. O buraco negro o engole em poucos segundos.
Como resultado, poderosos jatos polares de gás ultrarelativísticos são formados - jatos. A velocidade de escoamento da matéria em jatos é próxima da velocidade da luz, a temperatura e os campos magnéticos nessa região são enormes. Tal jato é capaz de gerar um fluxo de radiação gama. O fenômeno foi chamado de hipernova, por analogia com o termo "supernova".
Muitas das longas explosões de raios gama são identificadas de forma bastante confiável com supernovas com um espectro incomum em galáxias distantes. Sua observação na faixa de rádio indicou a possível existência de jatos ultrarelativísticos.
Colisões de estrelas de nêutrons
De acordo com o modelo, rajadas curtas ocorrem quando estrelas de nêutrons massivas ou um par estrela de nêutrons-buraco negro se fundem. Tal evento recebeu um nome especial - "kilon", uma vez que a energia emitida neste processo pode exceder a liberação de energia de novas estrelas em três ordens de magnitude.
Um par de componentes supermassivos primeiro forma um sistema binário emitindo ondas gravitacionais. Como resultado, o sistema perde energia e seus componentes caem rapidamente uns sobre os outros ao longo de trajetórias espirais. Sua fusão gera um objeto de rotação rápida com um forte campo magnético de configuração especial, devido ao qual, novamente, são formados jatos ultrarelativísticos.
A simulação mostra que o resultado é um buraco negro com um toróide de plasma acrecionário caindo no buraco negro em 0,3 segundos. A existência de jatos ultrarelativísticos gerados por acreção dura a mesma quantidade de tempo. Os dados observacionais são geralmente consistentes com este modelo.
Em agosto de 2017, os detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo detectaram uma fusão de estrelas de nêutrons em uma galáxia a 130 milhões de anos-luz de distância. Os parâmetros numéricos da kilonova acabaram não sendo exatamente os mesmos que a simulação prevê. Mas o evento de onda gravitacional foi acompanhado por uma pequena explosão na faixa de raios gama, bem como efeitos nos comprimentos de onda de raios X a infravermelho.
Flash estranho
Em 14 de junho de 2006, o Swift Gamma Observatory detectou um evento incomum em uma galáxia não muito massiva localizada a 1,6 bilhão de anos-luz de distância. Suas características não correspondiam aos parâmetros de flashes longos e curtos. A explosão de raios gama GRB 060614 teve dois pulsos: primeiro, um pulso duro com menos de 5 segundos de duração e, em seguida, uma "cauda" de 100 segundos de raios gama mais suaves. Não foi possível detectar sinais de uma supernova na galáxia.
Há pouco tempo, eventos semelhantes já eram observados, mas eram cerca de 8 vezes mais fracos. Portanto, essa onda híbrida ainda não se encaixa no modelo teórico.
Houve várias hipóteses sobre a origem da explosão anômala de raios gama GRB 060614. Dentro-Primeiro, podemos supor que é muito longo e que características estranhas se devem a algumas circunstâncias específicas. Em segundo lugar, o flash foi curto e a "cauda" do evento, por algum motivo, adquiriu um grande comprimento. Em terceiro lugar, pode-se supor que os astrofísicos encontraram um novo tipo de rajadas.
Há também uma hipótese completamente exótica: no exemplo do GRB 060614, os cientistas encontraram o chamado "buraco branco". Esta é uma região hipotética do espaço-tempo que tem um horizonte de eventos, mas se move ao longo do eixo do tempo oposto a um buraco negro normal. Em princípio, as equações da teoria da relatividade geral preveem a existência de buracos brancos, mas não há pré-requisitos para sua identificação e nem ideias teóricas sobre os mecanismos de formação de tais objetos. Muito provavelmente, a hipótese romântica terá que ser abandonada e focar em recalcular modelos.
Perigo potencial
As explosões de raios gama no Universo são onipresentes e ocorrem com bastante frequência. Surge uma pergunta natural: eles representam um perigo para a Terra?
Teoricamente calculadas as consequências para a biosfera, que podem causar intensa radiação gama. Então, com uma liberação de energia de 1052 erg (que corresponde a 1039 MJ ou cerca de 3,3∙1038 kWh) e uma distância de 10 anos-luz, o efeito da explosão seria catastrófico. Calculou-se que em cada centímetro quadrado da superfície da Terra no hemisfério que teria a infelicidade de ser atingido por raios gamafluxo, 1013 erg, ou 1 MJ, ou 0,3 kWh de energia serão liberados. O outro hemisfério também não terá problemas - todos os seres vivos morrerão lá, mas um pouco mais tarde, devido a efeitos secundários.
No entanto, é improvável que tal pesadelo nos ameace: simplesmente não há estrelas perto do Sol que possam fornecer uma liberação de energia tão monstruosa. O destino de se tornar um buraco negro ou uma estrela de nêutrons também não ameaça as estrelas próximas a nós.
Claro que uma explosão de raios gama representaria uma séria ameaça à biosfera e a uma distância muito maior, no entanto, deve-se ter em mente que sua radiação não se propaga isotropicamente, mas em um fluxo bastante estreito, e a probabilidade de cair da Terra é muito menor do que em geral não notamos.
Perspectivas de Aprendizagem
Explosões cósmicas de raios gama têm sido um dos maiores mistérios astronômicos por quase meio século. Agora o nível de conhecimento sobre eles está muito avançado devido ao rápido desenvolvimento de ferramentas observacionais (incluindo as espaciais), processamento e modelagem de dados.
Por exemplo, não faz muito tempo, um passo importante foi dado para esclarecer a origem do fenômeno da explosão. Ao analisar os dados do satélite Fermi, verificou-se que a radiação gama é gerada por colisões de prótons de jatos ultrarelativísticos com prótons de gás interestelar, e os detalhes desse processo foram refinados.
Supõe-se usar o brilho residual de eventos distantes para medições mais precisas da distribuição do gás intergaláctico até as distâncias determinadas pelo redshift Z=10.
Ao mesmo tempoGrande parte da natureza das explosões ainda é desconhecida, e devemos aguardar o surgimento de novos fatos interessantes e mais progressos no estudo desses objetos.
