Gran interés para la astrofísica y la cosmología modernas es una clase especial de fenómenos llamados estallidos de rayos gamma. Durante varias décadas, y de manera especialmente activa en los últimos años, la ciencia ha estado acumulando datos de observación sobre este fenómeno cósmico a gran escala. Su naturaleza aún no ha sido completamente dilucidada, pero existen modelos teóricos suficientemente fundamentados que pretenden explicarla.
El concepto del fenómeno
La radiación gamma es la región más dura del espectro electromagnético, formada por fotones de alta frecuencia de aproximadamente 6∙1019 Hz. Las longitudes de onda de los rayos gamma pueden ser comparables al tamaño de un átomo y también pueden ser varios órdenes de magnitud más pequeños.
El estallido de rayos gamma es un estallido breve y extremadamente brillante de rayos gamma cósmicos. Su duración puede ser desde varias decenas de milisegundos hasta varios miles de segundos; registrado con mayor frecuenciadestellos que duran alrededor de un segundo. El brillo de las ráfagas puede ser significativo, cientos de veces mayor que el brillo total del cielo en el rango gamma suave. Las energías características oscilan entre varias decenas y miles de kiloelectronvoltios por cuanto de radiación.
Las fuentes de bengalas se distribuyen uniformemente sobre la esfera celeste. Se ha comprobado que sus fuentes están muy lejos, a distancias cosmológicas del orden de miles de millones de años luz. Otra característica de las ráfagas es su perfil de desarrollo variado y complejo, también conocido como curva de luz. El registro de este fenómeno ocurre casi todos los días.
Historial de estudio
El descubrimiento ocurrió en 1969 mientras se procesaba información de los satélites Vela del ejército estadounidense. Resultó que en 1967, los satélites registraron dos pulsos cortos de radiación gamma, que los miembros del equipo no pudieron identificar con nada. A lo largo de los años, el número de tales eventos ha aumentado. En 1973, los datos de Vela fueron desclasificados y publicados, y se inició la investigación científica sobre el fenómeno.
A fines de la década de 1970 y principios de la de 1980 en la Unión Soviética, una serie de experimentos de KONUS establecieron la existencia de ráfagas cortas de hasta 2 segundos de duración y también demostraron que las ráfagas de radiación gamma se distribuyen aleatoriamente.
En 1997, se descubrió el fenómeno del "resplandor residual": la lenta disminución del estallido en longitudes de onda más largas. Después de eso, los científicos lograron por primera vez identificar el evento con un objeto óptico: una galaxia de desplazamiento al rojo muy distante.z=0, 7. Esto permitió confirmar la naturaleza cosmológica del fenómeno.
En 2004, se lanzó el observatorio orbital de rayos gamma Swift, con cuya ayuda fue posible identificar rápidamente eventos de rango gamma con rayos X y fuentes de radiación óptica. Actualmente, varios dispositivos más están operando en órbita, incluido el Telescopio espacial de rayos gamma. Fermi.
Clasificación
Actualmente, según las características observadas, se distinguen dos tipos de estallidos de rayos gamma:
- Larga, caracterizada por una duración de 2 segundos o más. Hay alrededor del 70% de tales brotes. Su duración promedio es de 20 a 30 segundos, y la duración máxima registrada de la llamarada GRB 130427A fue de más de 2 horas. Hay un punto de vista según el cual estos eventos largos (ahora hay tres) deben distinguirse como un tipo especial de ráfagas ultralargas.
- Corto. Se desarrollan y se desvanecen en un período de tiempo estrecho: menos de 2 segundos, pero en promedio duran alrededor de 0,3 segundos. El poseedor del récord hasta ahora es el flash, que duró solo 11 milisegundos.
A continuación, veremos las causas más probables de los GRB de los dos tipos principales.
Ecos de hipernova
Según la mayoría de los astrofísicos, los estallidos largos son el resultado del colapso de estrellas extremadamente masivas. Existe un modelo teórico que describe una estrella de rotación rápida con una masa de más de 30 masas solares, que al final de su vida da lugar a un agujero negro. El disco de acrecióntal objeto, un colapsar, surge debido a que la materia de la envoltura estelar cae rápidamente sobre el agujero negro. El agujero negro se lo traga en unos segundos.
Como resultado, se forman poderosos chorros de gas ultrarrelativistas polares - chorros. La velocidad de salida de la materia en los chorros es cercana a la velocidad de la luz, la temperatura y los campos magnéticos en esta región son enormes. Tal chorro es capaz de generar un flujo de radiación gamma. El fenómeno se denominó hipernova, por analogía con el término "supernova".
Muchas de las largas ráfagas de rayos gamma se identifican de manera bastante confiable con supernovas con un espectro inusual en galaxias distantes. Su observación en el rango de radio indicó la posible existencia de chorros ultrarrelativistas.
Colisiones de estrellas de neutrones
Según el modelo, los estallidos breves se producen cuando se fusionan estrellas de neutrones masivas o un par de estrellas de neutrones y agujeros negros. Tal evento ha recibido un nombre especial - "kilón", ya que la energía emitida en este proceso puede exceder la liberación de energía de nuevas estrellas en tres órdenes de magnitud.
Un par de componentes supermasivos primero forma un sistema binario que emite ondas gravitacionales. Como resultado, el sistema pierde energía y sus componentes caen rápidamente unos sobre otros a lo largo de trayectorias en espiral. Su fusión genera un objeto que gira rápidamente con un fuerte campo magnético de una configuración especial, por lo que, de nuevo, se forman chorros ultrarrelativistas.
La simulación muestra que el resultado es un agujero negro con un toroide de plasma acumulativo que cae sobre el agujero negro en 0,3 segundos. La existencia de chorros ultrarrelativistas generados por acreción dura la misma cantidad de tiempo. Los datos de observación son generalmente consistentes con este modelo.
En agosto de 2017, los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo detectaron una fusión de estrellas de neutrones en una galaxia a 130 millones de años luz de distancia. Los parámetros numéricos de la kilonova resultaron no ser los mismos que predice la simulación. Pero el evento de onda gravitacional estuvo acompañado por un breve estallido en el rango de rayos gamma, así como efectos en las longitudes de onda de rayos X e infrarrojos.
Destello extraño
El 14 de junio de 2006, el Observatorio Swift Gamma detectó un evento inusual en una galaxia no demasiado masiva ubicada a 1.600 millones de años luz de distancia. Sus características no se correspondían con los parámetros de los destellos largos y cortos. El estallido de rayos gamma GRB 060614 tuvo dos pulsos: primero, un pulso fuerte de menos de 5 segundos de duración y luego una "cola" de 100 segundos de rayos gamma más suaves. No se pudieron detectar señales de una supernova en la galaxia.
No hace mucho tiempo ya se observaron eventos similares, pero eran unas 8 veces más débiles. Así que esta oleada híbrida aún no encaja en el marco del modelo teórico.
Ha habido varias hipótesis sobre el origen del estallido anómalo de rayos gamma GRB 060614. En-Primero, podemos suponer que es realmente largo y que las características extrañas se deben a algunas circunstancias específicas. En segundo lugar, el destello fue corto y, por alguna razón, la "cola" del evento adquirió una gran longitud. En tercer lugar, se puede suponer que los astrofísicos se han encontrado con un nuevo tipo de estallidos.
También hay una hipótesis completamente exótica: en el ejemplo de GRB 060614, los científicos encontraron el llamado "agujero blanco". Esta es una región hipotética del espacio-tiempo que tiene un horizonte de eventos, pero se mueve a lo largo del eje del tiempo opuesto a un agujero negro normal. En principio, las ecuaciones de la teoría general de la relatividad predicen la existencia de agujeros blancos, pero no hay requisitos previos para su identificación ni ideas teóricas sobre los mecanismos de formación de tales objetos. Lo más probable es que haya que abandonar la hipótesis romántica y centrarse en recalcular modelos.
Peligro potencial
Los estallidos de rayos gamma en el Universo son ubicuos y ocurren con bastante frecuencia. Surge una pregunta natural: ¿representan un peligro para la Tierra?
Calculó teóricamente las consecuencias para la biosfera, que pueden causar una intensa radiación gamma. Entonces, con una liberación de energía de 1052 erg (que corresponde a 1039 MJ o alrededor de 3.3∙1038 kWh) y una distancia de 10 años luz, el efecto del estallido sería catastrófico. Se ha calculado que en cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre en el hemisferio que tendría la desgracia de ser alcanzado por los rayos gammaflujo, se liberarán 1013 erg, o 1 MJ, o 0,3 kWh de energía. El otro hemisferio tampoco tendrá problemas: todos los seres vivos morirán allí, pero un poco más tarde, debido a los efectos secundarios.
Sin embargo, es poco probable que una pesadilla así nos amenace: simplemente no hay estrellas cerca del Sol que puedan proporcionar una liberación de energía tan monstruosa. El destino de convertirse en un agujero negro o una estrella de neutrones tampoco amenaza a las estrellas cercanas a nosotros.
Por supuesto, un estallido de rayos gamma supondría una grave amenaza para la biosfera y a una distancia mucho mayor, sin embargo, hay que tener en cuenta que su radiación no se propaga de forma isotrópica, sino en una corriente bastante estrecha, y la probabilidad de caer en él desde la Tierra es mucho menor que, en general, no se nota.
Perspectivas de aprendizaje
Los estallidos cósmicos de rayos gamma han sido uno de los mayores misterios astronómicos durante casi medio siglo. Ahora, el nivel de conocimiento sobre ellos está muy avanzado debido al rápido desarrollo de herramientas de observación (incluidas las espaciales), procesamiento de datos y modelado.
Por ejemplo, no hace mucho tiempo se dio un paso importante para esclarecer el origen del fenómeno del estallido. Al analizar los datos del satélite Fermi, se descubrió que la radiación gamma es generada por colisiones de protones de chorros ultrarrelativistas con protones de gas interestelar, y se refinaron los detalles de este proceso.
Se supone que utiliza el resplandor de eventos distantes para obtener mediciones más precisas de la distribución del gas intergaláctico hasta distancias determinadas por el corrimiento al rojo Z=10.
Al mismo tiempoTodavía se desconoce gran parte de la naturaleza de las ráfagas, y deberíamos esperar a que surjan nuevos hechos interesantes y nuevos avances en el estudio de estos objetos.
