Mối quan tâm lớn đối với vật lý thiên văn và vũ trụ học hiện đại là một loại hiện tượng đặc biệt được gọi là vụ nổ tia gamma. Trong vài thập kỷ, và đặc biệt tích cực trong những năm gần đây, khoa học đã tích lũy dữ liệu quan sát liên quan đến hiện tượng vũ trụ quy mô lớn này. Bản chất của nó vẫn chưa được làm sáng tỏ đầy đủ, nhưng có những mô hình lý thuyết đủ cơ sở để giải thích nó.
Khái niệm về hiện tượng
Bức xạ gamma là vùng cứng nhất của phổ điện từ, được hình thành bởi các photon tần số cao từ khoảng 6 ∙ 1019Hz. Bước sóng của tia gamma có thể tương đương với kích thước của một nguyên tử và cũng có thể nhỏ hơn vài bậc của cường độ.
Vụ nổ tia gamma là một vụ nổ ngắn và cực kỳ sáng của tia gamma vũ trụ. Thời lượng của nó có thể từ vài chục mili giây đến vài nghìn giây; đăng ký thường xuyên nhấtnhấp nháy kéo dài khoảng một giây. Độ sáng của các vụ nổ có thể đáng kể, cao hơn hàng trăm lần so với tổng độ sáng của bầu trời trong dải gamma mềm. Năng lượng đặc trưng nằm trong khoảng từ vài chục đến hàng nghìn kiloelectronvolts trên mỗi lượng tử bức xạ.
Các nguồn pháo sáng phân bố đều trên thiên cầu. Người ta đã chứng minh được rằng các nguồn của chúng ở rất xa, ở khoảng cách vũ trụ với hàng tỷ năm ánh sáng. Một đặc điểm khác của các vụ nổ là hồ sơ phát triển đa dạng và phức tạp của chúng, hay còn được gọi là đường cong ánh sáng. Việc đăng ký hiện tượng này xảy ra hầu như hàng ngày.
Học lịch sử
Khám phá xảy ra vào năm 1969 khi đang xử lý thông tin từ vệ tinh Vela của quân đội Mỹ. Hóa ra là vào năm 1967, các vệ tinh đã ghi lại hai xung bức xạ gamma ngắn, mà các thành viên trong nhóm không thể xác định được bằng bất cứ thứ gì. Trong những năm qua, số lượng các sự kiện như vậy đã tăng lên. Năm 1973, dữ liệu của Vela đã được giải mật và xuất bản, và nghiên cứu khoa học bắt đầu về hiện tượng này.
Vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 ở Liên Xô, một loạt các thí nghiệm KONUS đã xác định sự tồn tại của các vụ nổ ngắn trong thời gian lên đến 2 giây, và cũng chứng minh rằng các vụ nổ bức xạ gamma được phân bố ngẫu nhiên.
Năm 1997, hiện tượng "ánh sáng rực rỡ" được phát hiện - sự phân rã chậm của vụ nổ ở bước sóng dài hơn. Sau đó, các nhà khoa học lần đầu tiên đã tìm cách xác định sự kiện này bằng một vật thể quang học - một thiên hà dịch chuyển đỏ rất xa.z=0, 7. Điều này có thể giúp xác nhận bản chất vũ trụ học của hiện tượng.
Năm 2004, đài quan sát tia gamma quỹ đạo Swift được đưa vào hoạt động, với sự trợ giúp của nó, có thể nhanh chóng xác định các sự kiện trong phạm vi gamma bằng các nguồn bức xạ quang học và tia X. Hiện tại, một số thiết bị khác đang hoạt động trên quỹ đạo, bao gồm cả Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma. Fermi.
Phân loại
Hiện tại, dựa trên các đặc điểm quan sát được, hai loại vụ nổ tia gamma được phân biệt:
- Dài, có đặc điểm là thời gian kéo dài từ 2 giây trở lên. Có khoảng 70% các vụ bùng phát như vậy. Thời lượng trung bình của chúng là 20–30 giây và thời lượng tối đa được ghi lại của pháo sáng GRB 130427A là hơn 2 giờ. Theo đó, có một quan điểm cho rằng những sự kiện kéo dài như vậy (hiện có ba sự kiện trong số đó) nên được phân biệt như một kiểu bùng nổ siêu dài đặc biệt.
- Ngắn. Chúng phát triển và mờ dần trong một khung thời gian hẹp - dưới 2 giây, nhưng trung bình kéo dài khoảng 0,3 giây. Người giữ kỷ lục cho đến nay là đèn flash, chỉ kéo dài 11 mili giây.
Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các nguyên nhân có khả năng gây ra GRB của hai loại chính.
Siêu tân tinh vang lên
Theo hầu hết các nhà vật lý thiên văn, các vụ nổ kéo dài là kết quả của sự sụp đổ của các ngôi sao cực lớn. Có một mô hình lý thuyết mô tả một ngôi sao quay nhanh với khối lượng lớn hơn 30 lần khối lượng Mặt Trời, khi kết thúc vòng đời của nó sẽ hình thành một lỗ đen. Đĩa bồi tụmột vật thể như vậy, một cái sập, hình thành do vật chất của lớp vỏ sao rơi xuống hố đen một cách nhanh chóng. Hố đen nuốt chửng nó trong vài giây.
Kết quả là, các tia khí siêu tương quan cực mạnh được hình thành - phản lực. Tốc độ của dòng vật chất trong máy bay phản lực gần với tốc độ ánh sáng, nhiệt độ và từ trường trong vùng này là rất lớn. Một máy bay phản lực như vậy có khả năng tạo ra một dòng bức xạ gamma. Hiện tượng này được gọi là siêu tân tinh, tương tự với thuật ngữ "siêu tân tinh".
Nhiều vụ nổ tia gamma kéo dài được xác định khá chắc chắn với các siêu tân tinh có quang phổ khác thường trong các thiên hà xa xôi. Sự quan sát của họ trong phạm vi vô tuyến đã chỉ ra sự tồn tại có thể có của máy bay phản lực siêu tương quan.
Sự va chạm của sao neutron
Theo mô hình, các vụ nổ ngắn xảy ra khi các sao neutron lớn hoặc một cặp sao neutron-lỗ đen hợp nhất. Một sự kiện như vậy đã nhận được một cái tên đặc biệt - "kilon", vì năng lượng phát ra trong quá trình này có thể vượt quá mức giải phóng năng lượng của các ngôi sao mới ba bậc.
Một cặp thành phần siêu khối lượng đầu tiên tạo thành một hệ nhị phân phát ra sóng hấp dẫn. Kết quả là, hệ thống mất năng lượng và các thành phần của nó nhanh chóng rơi vào nhau theo quỹ đạo xoắn ốc. Sự hợp nhất của chúng tạo ra một vật thể quay nhanh với từ trường mạnh có cấu hình đặc biệt, do đó, một lần nữa, các tia phản lực siêu tương quan được hình thành.
Mô phỏng cho thấy kết quả là một lỗ đen có hình xuyến plasma bồi tụ rơi xuống lỗ đen trong 0,3 giây. Sự tồn tại của các tia phản lực siêu tương quan được tạo ra bởi sự bồi tụ kéo dài cùng một khoảng thời gian. Dữ liệu quan sát thường nhất quán với mô hình này.
Vào tháng 8 năm 2017, các máy dò sóng hấp dẫn LIGO và Virgo đã phát hiện ra sự hợp nhất sao neutron trong một thiên hà cách xa 130 triệu năm ánh sáng. Các thông số số của kilonova hóa ra không hoàn toàn giống như dự đoán của mô phỏng. Nhưng sự kiện sóng hấp dẫn đi kèm với một vụ nổ ngắn trong dải tia gamma, cũng như các hiệu ứng từ tia X đến bước sóng hồng ngoại.
Chớp lạ lùng
Vào ngày 14 tháng 6 năm 2006, Đài quan sát Swift Gamma đã phát hiện ra một sự kiện bất thường trong một thiên hà không quá lớn nằm cách xa 1,6 tỷ năm ánh sáng. Đặc điểm của nó không tương ứng với các thông số của cả chớp sáng dài và ngắn. Vụ nổ tia gamma GRB 060614 có hai xung: đầu tiên, một xung cứng dài chưa đầy 5 giây, và sau đó là "đuôi" dài 100 giây của các tia gamma mềm hơn. Không thể phát hiện dấu hiệu của một siêu tân tinh trong thiên hà.
Cách đây không lâu các sự kiện tương tự đã được quan sát thấy, nhưng chúng yếu hơn khoảng 8 lần. Vì vậy, sự gia tăng hỗn hợp này vẫn chưa phù hợp với khuôn khổ của mô hình lý thuyết.
Đã có một số giả thuyết về nguồn gốc của vụ nổ tia gamma bất thường GRB 060614. Trong-Đầu tiên, chúng ta có thể cho rằng nó thực sự dài, và các tính năng kỳ lạ là do một số trường hợp cụ thể. Thứ hai, đèn flash ngắn, và "đuôi" của sự kiện vì một lý do nào đó có độ dài lớn. Thứ ba, có thể giả định rằng các nhà vật lý thiên văn đã gặp phải một kiểu bùng nổ mới.
Ngoài ra còn có một giả thuyết hoàn toàn kỳ lạ: trên ví dụ về GRB 060614, các nhà khoa học đã bắt gặp cái gọi là "lỗ trắng". Đây là một vùng không-thời gian giả định có đường chân trời sự kiện, nhưng di chuyển dọc theo trục thời gian đối diện với một lỗ đen bình thường. Về nguyên tắc, các phương trình của thuyết tương đối rộng dự đoán sự tồn tại của các lỗ trắng, nhưng không có điều kiện tiên quyết để xác định chúng và không có ý tưởng lý thuyết nào về cơ chế hình thành của các vật thể đó. Rất có thể, giả thuyết lãng mạn sẽ phải bị loại bỏ và tập trung vào các mô hình tính toán lại.
Nguy hiểm tiềm tàng
Vụ nổ tia gamma trong Vũ trụ là phổ biến và xảy ra khá thường xuyên. Một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: chúng có gây nguy hiểm cho Trái đất không?
Tính toán lý thuyết về hậu quả đối với sinh quyển, có thể gây ra bức xạ gamma cường độ cao. Vì vậy, với sự giải phóng năng lượng 1052erg (tương ứng với 1039MJ hoặc khoảng 3,3 ∙ 1038 kWh) và khoảng cách 10 năm ánh sáng, ảnh hưởng của vụ nổ sẽ rất thảm khốc. Người ta đã tính toán rằng trên mỗi cm vuông bề mặt Trái đất ở bán cầu sẽ có rủi ro bị tia gamma chiếu vàodòng chảy, 1013erg, hoặc 1 MJ, hoặc 0,3 kWh năng lượng sẽ được giải phóng. Bán cầu còn lại cũng sẽ không gặp rắc rối - tất cả sinh vật sống sẽ chết ở đó, nhưng muộn hơn một chút, do tác động thứ cấp.
Tuy nhiên, một cơn ác mộng như vậy khó có thể đe dọa chúng ta: đơn giản là không có ngôi sao nào gần Mặt trời có thể giải phóng năng lượng khủng khiếp như vậy. Số phận trở thành một lỗ đen hoặc một ngôi sao neutron cũng không đe dọa những ngôi sao gần chúng ta.
Tất nhiên, một vụ nổ tia gamma sẽ đe dọa nghiêm trọng đến sinh quyển và ở một khoảng cách xa hơn nhiều, tuy nhiên, cần lưu ý rằng bức xạ của nó không truyền theo hướng đẳng hướng mà theo một dòng khá hẹp và xác suất rơi vào nó từ Trái đất thấp hơn nhiều so với những gì nói chung không để ý.
Quan điểm học tập
Vụ nổ tia gamma vũ trụ là một trong những bí ẩn thiên văn lớn nhất trong gần nửa thế kỷ qua. Giờ đây, mức độ hiểu biết về chúng đã được nâng cao hơn nhiều do sự phát triển nhanh chóng của các công cụ quan sát (bao gồm cả công cụ không gian), xử lý dữ liệu và mô hình hóa.
Ví dụ, cách đây không lâu, một bước quan trọng đã được thực hiện trong việc làm rõ nguồn gốc của hiện tượng nổ. Khi phân tích dữ liệu từ vệ tinh Fermi, người ta thấy rằng bức xạ gamma được tạo ra bởi sự va chạm của proton của máy bay phản lực siêu tương quan với proton của khí giữa các vì sao, và các chi tiết của quá trình này đã được tinh chỉnh.
Nó được cho là sử dụng ánh sáng rực rỡ của các sự kiện ở xa để đo chính xác hơn sự phân bố của khí giữa các thiên hà theo khoảng cách được xác định bởi dịch chuyển đỏ Z=10.
Đồng thờiPhần lớn bản chất của các vụ nổ vẫn chưa được biết và chúng ta nên chờ đợi sự xuất hiện của những sự thật thú vị mới và tiến bộ hơn nữa trong việc nghiên cứu những vật thể này.
