Explosión gamma

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Un estallido de rayos gamma [2]  es una liberación cósmica a gran escala de energía de rayos gamma del espectro electromagnético . Los estallidos de rayos gamma (GB) son los eventos electromagnéticos más brillantes que ocurren en el Universo .

El estallido inicial generalmente es seguido por un "resplandor posterior" de larga duración que se desvanece y se emite en longitudes de onda progresivamente más largas ( rayos X , UV , óptica , IR y radio ).

Las GW cortas se forman durante la fusión de dos estrellas de neutrones , un agujero negro y una estrella de neutrones o, teóricamente, dos agujeros negros [3] . Duración de 10 milisegundos a 2 segundos. [cuatro]

Se emite un GW largo durante una explosión de supernova cuando el núcleo de rotación rápida de una estrella masiva colapsa . Su duración es de 2 segundos a 6 horas. [5]

Este es un haz relativamente estrecho de radiación poderosa, por lo que se observan estallidos de rayos gamma en galaxias distantes y hasta ahora solo se han visto dos débiles en la nuestra. [6] La energía GW no se distribuye uniformemente de forma esférica. Los chorros están centrados como un arma espacial, en forma de cono desde los polos del púlsar.

En unos pocos segundos de un destello, se libera tanta energía como la que liberaría el Sol en 10 mil millones de años de brillo. En un millón de años , solo se encuentran unos pocos GW en una galaxia [7] . Todos los GW observados ocurren fuera de nuestra galaxia , a excepción de una clase relacionada de fenómenos, los estallidos suaves y repetitivos de rayos gamma , que están asociados con los magnetares de la Vía Láctea. Existe la suposición de que la GW que ocurrió en nuestra galaxia podría conducir a la extinción masiva de toda la vida en la Tierra (excepto las bioespecies de aguas profundas) [8] .

GW fue registrado accidentalmente por primera vez el 2 de julio de 1967 por los satélites militares estadounidenses " Vela " [1] .

Se han construido cientos de modelos teóricos para explicar los procesos que pueden generar GW, como las colisiones entre cometas y estrellas de neutrones [9] . Pero no hubo suficientes datos para confirmar los modelos propuestos, hasta que se registraron los primeros resplandores posteriores ópticos y de rayos X en 1997 , y su corrimiento al rojo se determinó mediante medición directa utilizando un espectroscopio óptico. Estos descubrimientos y estudios posteriores de galaxias y supernovas asociadas a GW ayudaron a estimar el brillo y las distancias a la fuente de GW, localizándolos finalmente en galaxias distantes y vinculando GW con la muerte de estrellas masivas. Sin embargo, el proceso de estudio de GW está lejos de terminar, y GW sigue siendo uno de los mayores misterios de la astrofísica . Incluso la clasificación observacional de GW en largas y cortas es incompleta.

Los GV se registran aproximadamente una vez al día. Como se estableció en el experimento soviético "Konus", que se llevó a cabo bajo el liderazgo de Evgeny Mazets en las naves espaciales " Venera-11 ", " Venera-12 " y " Prognoz " en la década de 1970 [10] , los GW son igualmente probables provenir de cualquier dirección, lo que, junto con la dependencia construida experimentalmente log  N  - log  S ( N  es el número de GW que dan un flujo de rayos gamma cerca de la Tierra mayor o igual a S ), indicó que los GW son de un naturaleza cosmológica (más precisamente, no están asociados con la Galaxia o no solo con ella, sino que ocurren en todo el Universo , y los vemos desde lugares remotos del Universo). La dirección a la fuente se estimó utilizando el método de triangulación .

Historia

1963 , octubre: La Fuerza Aérea de EE. UU. lanzó el primer satélite de la serie Vela a la órbita terrestre para monitorear las explosiones nucleares en la atmósfera , luego de la conclusión del Tratado de Prohibición de Pruebas de Tres Medios de Moscú en 1963 . A bordo del satélite había detectores de rayos X , gamma y radiación de neutrones [1] .

Descubrimiento de los estallidos de rayos gamma: la era Vela

Muchas teorías han tratado de explicar estos arrebatos. La mayoría argumentó que las fuentes están dentro de la Vía Láctea . Pero no se hizo ninguna confirmación experimental hasta 1991.

Acumulación de estadísticas: era BATSE

Desde el 5 de abril de 1991 hasta el 4 de junio de 2000, el Observatorio de Rayos Gamma de Compton ( CGRO ) operó en órbita [20] .  Se instaló a bordo un detector de Burst and Transient Source Explorer ( BATSE ) , diseñado para registrar GW. Durante su funcionamiento se detectaron 2704 eventos (es decir, aproximadamente una ráfaga por día).

Con la ayuda del BATSE , los resultados del Instituto Fisicotécnico confirmaron que las GW se distribuyen isotrópicamente sobre la esfera celeste , y no se agrupan en ninguna región del espacio, por ejemplo, en el centro de la galaxia o a lo largo del plano galáctico. ecuador [21] . Debido a la forma plana de la Vía Láctea, las fuentes pertenecientes a nuestra galaxia se concentran cerca del plano galáctico. La ausencia de tal propiedad de GW es una fuerte evidencia de su origen fuera de la Vía Láctea [22] [23] [24] , aunque algunos modelos de la Vía Láctea aún son consistentes con una distribución isotrópica similar [25] .

También se establecieron las siguientes propiedades empíricas de los GW: una amplia variedad de curvas de luz (suaves e irregulares en escalas de tiempo muy cortas), una distribución de duración bimodal (cortas, menos de 2 segundos, con un espectro más duro , y largas, más de 2 segundos - con un espectro más suave).

Décadas después del descubrimiento de la GW, los astrónomos han estado buscando un componente: cualquier objeto astronómico ubicado en el sitio de una GW reciente. Se han considerado muchas clases diferentes de objetos, incluidas enanas blancas , púlsares , supernovas , cúmulos de estrellas globulares , cuásares , galaxias Seyfert y objetos BL Lac [26] . Todas estas búsquedas no tuvieron éxito, e incluso en algunos casos de una ubicación bastante buena del GW, fue imposible ver ningún objeto brillante perceptible. Lo que indica el origen de GW en estrellas muy tenues o en galaxias extremadamente distantes [27] [28] . Incluso las ubicaciones más precisas se limitaron a áreas de grupos de estrellas y galaxias débiles. Quedó claro que se requieren nuevos satélites y comunicaciones más rápidas para la resolución final de las coordenadas GW [29] .

Descubrimiento de resplandores posteriores: la era BeppoSAX

Varios modelos para el origen de GW sugirieron que después del estallido inicial de rayos gamma, debería ocurrir una radiación que decae lentamente en longitudes de onda más largas, formada debido a la colisión de la materia expulsada como resultado del destello y el gas interestelar [30] . Esta radiación (en todos los rangos del espectro electromagnético) comenzó a llamarse " posluminiscencia " ("afterglow" o "halo") a partir de GW. Las primeras búsquedas del "resplandor residual" no tuvieron éxito, principalmente debido a la dificultad de determinar las coordenadas GW de onda larga exactas inmediatamente después del estallido inicial.

Un gran avance en esta dirección ocurrió en febrero de 1997 , cuando el satélite ítalo-holandés BeppoSAX detectó el estallido de rayos gamma GRB 970228 , y 8 horas más tarde, un detector de rayos X (también a bordo de BeppoSAX) detectó la emisión de rayos X en descomposición de GRB. 970228. Las coordenadas del "resplandor residual" de rayos X se determinaron con mucha mayor precisión que para los rayos gamma. En pocas horas, un grupo de analistas del proyecto BeppoSAX determinó las coordenadas del estallido con una precisión de 3 minutos de arco.

Los telescopios ópticos terrestres también detectaron una nueva fuente que se desvanecía en el área; por lo tanto, su posición se conoció dentro de un segundo de arco. Después de algún tiempo, una imagen profunda del telescopio Hubble reveló una galaxia distante muy tenue ( z  = 0,7) en el sitio de la fuente anterior. Así, se ha probado el origen cosmológico de los estallidos de rayos gamma. Posteriormente, se observaron resplandores en muchas ráfagas, en todos los rangos (rayos X, ultravioleta, óptica, IR, radio). Los desplazamientos al rojo resultaron ser muy grandes (hasta 6, principalmente en el rango de 0 a 4 para estallidos largos de rayos gamma; para los cortos, menos).

La era de la identificación rápida: Swift

Lanzado en 2004, el satélite Swift tiene la capacidad de identificación rápida (menos de un minuto) óptica y de rayos X de ráfagas. Entre sus descubrimientos se encuentran poderosos, a veces múltiples estallidos de rayos X en resplandores posteriores, a veces hasta varias horas después del estallido; detección de resplandores incluso antes del final de la radiación gamma real, etc.

Distancias y energía

Está claro por la naturaleza cosmológica de los estallidos de rayos gamma que deben tener una energía gigantesca. Por ejemplo, para el evento GRB 970228 , suponiendo isotropía de radiación , la energía solo en el rango gamma es 1,6⋅10 52  erg (1,6⋅10 45  J), que es un orden de magnitud mayor que la energía de una supernova típica. Para algunos estallidos de rayos gamma, la estimación llega a 10 54  erg, es decir, es comparable al resto de la energía del Sol. Además, esta energía se libera en muy poco tiempo.

La salida de energía se produce en forma de flujo colimado ( chorro relativista ), en cuyo caso la estimación de energía disminuye en proporción al ángulo de apertura del cono de chorro. Esto también se confirma mediante las observaciones de las curvas de luz del resplandor posterior (ver más abajo). La energía de explosión típica, incluidos los chorros, es de aproximadamente 10 51  erg, pero la dispersión es bastante grande. La presencia de chorros relativistas significa que vemos una pequeña fracción de todos los estallidos que ocurren en el universo. Se estima que su frecuencia es del orden de un estallido por galaxia cada 100.000 años.

Los eventos que generan estallidos de rayos gamma son tan poderosos que a veces pueden observarse a simple vista, aunque ocurren a una distancia de miles de millones de años luz de la Tierra [31] .

Mecanismos de los estallidos de rayos gamma

El mecanismo por el cual se libera tanta energía en tan poco tiempo en un volumen pequeño aún no está del todo claro. Lo más probable es que sea diferente en el caso de los estallidos de rayos gamma cortos y largos. Hasta la fecha, hay dos subespecies principales de GW: largas y cortas , que tienen diferencias significativas en los espectros y las manifestaciones observacionales. Entonces, los estallidos largos de rayos gamma a veces van acompañados de una explosión de supernova, pero los cortos nunca. Hay dos modelos principales que explican estos dos tipos de cataclismos.

Largas explosiones de rayos gamma y supernovas

Es probable que los estallidos largos de rayos gamma estén asociados con supernovas de tipo Ib/c . En varios casos, una fuente identificada ópticamente, algún tiempo después del estallido, mostró espectros y curvas de luz características de las supernovas. Además, en la mayoría de los casos de identificación con galaxias, éstas presentaban indicios de formación estelar activa .

No todas las supernovas de tipo Ib/c pueden causar un estallido de rayos gamma. Estos son eventos asociados con el colapso en un agujero negro del núcleo de una estrella masiva (> 25 masas solares), desprovista de una capa de hidrógeno, que tiene un gran momento de rotación, el llamado modelo colapsar . Según los cálculos, parte del núcleo se convierte en un agujero negro, rodeado por un potente disco de acreción , que cae en el agujero en pocos segundos. Al mismo tiempo, se lanzan chorros relativistas a lo largo del eje del disco, que atraviesan el caparazón de la estrella y provocan un estallido. Tales casos deberían ser alrededor del 1% del número total de supernovas (a veces se les llama hipernovas ).

El modelo principal de estallidos largos de rayos gamma fue propuesto por el científico estadounidense Stan Woosley  : un modelo colapsar llamado "supernova fallida" ( ing.  supernova fallida ; Woosley 1993). En este modelo, un chorro (chorro) genera un estallido de rayos gamma durante el colapso de una estrella Wolf-Rayet masiva (esencialmente el núcleo de helio o carbono-oxígeno de una estrella normal). Este modelo puede, en principio, describir GW largos (pero no demasiado largos). El científico polaco Bogdan Paczynski hizo parte del desarrollo de este modelo., quien utilizó el término " explosión de hipernova " ( del inglés  hypernova explosion ; Paczynski, 1998).

Además, el término " hipernova " fue utilizado mucho antes por otros astrofísicos en un contexto diferente.

Estallidos cortos de rayos gamma y fusiones de objetos relativistas

El mecanismo de los estallidos cortos de rayos gamma posiblemente esté asociado con la fusión de estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro. Debido al gran momento angular, dicho sistema no puede convertirse inmediatamente en un agujero negro: se forma un agujero negro inicial y un disco de acreción a su alrededor. Según los cálculos, el tiempo característico de tales eventos debería ser solo una fracción de segundo, lo que está confirmado por simulaciones en supercomputadoras [32] . Los GRB cortos identificados se encuentran a distancias sistemáticamente más pequeñas que los largos y tienen una liberación de energía menor.

Los astrofísicos soviéticos S. I. Blinnikov y otros propusieron un modelo adecuado para describir estallidos cortos de rayos gamma : la fusión de estrellas de neutrones binarias . [33]

Los astrónomos israelíes Alon Retter y Shlomo Heller sugieren que el GRB 060614 anómalo que ocurrió en 2006 era un agujero blanco . Alon Retter cree que los agujeros blancos, habiendo surgido, se descomponen inmediatamente, el proceso se asemeja al Big Bang , Retter y sus colegas lo llamaron "Small Bang" ( eng.  Small Bang ).

Afterglows: jets relativistas

A diferencia del propio estallido de rayos gamma, los mecanismos de resplandor posterior están bastante bien desarrollados teóricamente. Se supone que algún evento en el objeto central inicia la formación de una capa expansiva ultrarrelativista ( factor de Lorentz γ del orden de 100). Según un modelo, la capa consiste en bariones (su masa debe ser de 10 −8  - 10 −6 masas solares), según otro, es un flujo magnetizado en el que la energía principal es transferida por el vector de Poynting .

Es muy significativo que en muchos casos exista una fuerte variabilidad tanto en la propia radiación gamma (a veces del orden de la resolución del instrumento - milisegundos) como en los rayos X y los resplandores ópticos (destellos secundarios y posteriores, la liberación de energía en la que puede ser comparable a la propia ráfaga). En cierta medida, esto puede explicarse por la colisión de varias ondas de choque en el caparazón, moviéndose a diferentes velocidades, pero en general, este fenómeno presenta un problema serio para cualquier explicación del mecanismo de la máquina central: es necesario que después el primer estallido aún podía dar varios episodios de liberación de energía, a veces a través de tiempos del orden de varias horas.

El resplandor posterior lo proporciona principalmente el mecanismo de sincrotrón y posiblemente la retrodispersión de Compton .

Las curvas de luz de los resplandores posteriores son bastante complejas, ya que están compuestas por la radiación de choque del arco, la onda de choque hacia atrás, la posible radiación de supernova, etc. a favor de la presencia de un chorro relativista: se produce una torcedura cuando el factor γ cae a ~ 1/θ, donde θ es el ángulo de apertura del chorro.

Posible peligro para la Tierra

Boris Stern escribe: “Tomemos un caso moderado de liberación de energía de 10 52 ergios y una distancia al estallido de 3 parsecs , o 10 años luz, o 10 19 cm: alrededor de una docena de estrellas se encuentran dentro de tales límites. A tal distancia, en cuestión de segundos, se liberarán 10 13 ergios por cada centímetro cuadrado del planeta atrapado en el camino de los cuantos gamma. ¡ Esto es equivalente a explotar una bomba atómica en cada hectárea del cielo [nota 1] ! La atmósfera no ayuda: aunque la energía se desplegará en sus capas superiores, una parte importante alcanzará instantáneamente la superficie en forma de luz. Está claro que toda la vida en la mitad irradiada del planeta será exterminada instantáneamente, en la otra mitad un poco más tarde debido a los efectos secundarios. Aunque tomemos una distancia 100 veces mayor (esto ya es el grosor del disco galáctico y cientos de miles de estrellas), el efecto (una bomba atómica por cuadrado de 10 km de lado) será el golpe más duro, y aquí ya necesitamos evaluar seriamente qué sobrevivirá y si algo en absoluto".

Stern cree que un estallido de rayos gamma en nuestra galaxia ocurre en promedio una vez cada millón de años. Un estallido de rayos gamma de una estrella como WR 104 podría causar un intenso agotamiento de la capa de ozono en la mitad del planeta.

Quizás el estallido de rayos gamma provocó la extinción del Ordovícico-Silúrico hace unos 443 millones de años, cuando murió el 60% de las especies de seres vivos (y una proporción mucho mayor en cuanto al número de individuos, ya que bastan unos pocos individuos para vivir). la supervivencia de la especie). [34]

Véase también

Notas

Comentarios
  1. Una explosión de 10 14 J o alrededor de 23,9 kt , que es un poco más que el poder de explosión de la bomba Fat Man .
Fuentes
  1. 1 2 3 4 5 Explosiones de rayos gamma : una breve historia  . NASA. Consultado el 10 de abril de 2018. Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2016.
  2. El término rayo gamma también se encuentra en la literatura y los medios .
  3. arXiv:1604.07132[astro-ph.HE]
  4. doi.org/10.3847/1538-4357/aba529
  5. arXiv:1212.2392[astro-ph.HE]
  6. Punto de venta (ICRC2021)019
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Literatura

Enlaces