Gammasäteilypurkaukset (GRB): Mitä ne ovat ja miten syntyvät
Gammasäteilypurkaukset (GRB): kirkkaimmat maailmankaikkeuden räjähdykset — mitä ne ovat, miten syntyvät ja mitä vaikutuksia niillä voi olla maapallolle.
Gammasäteilypurkaukset (GRB) ovat erittäin voimakkaiden räjähdysten aiheuttamia gammasäteiden välähdyksiä. Niitä on nähty kaukaisissa galakseissa. Ne ovat kirkkaimpia sähkömagneettisia tapahtumia, joita maailmankaikkeudessa tiedetään esiintyvän.
Purskeet voivat kestää millisekunneista useisiin minuutteihin, mutta tyypillinen purske kestää muutaman sekunnin. Alkupurkausta seuraa yleensä pidempikestoinen "jälkihehku", joka säteilee pidemmillä aallonpituuksilla (röntgen-, ultravioletti-, näkyvä valo, infrapuna- ja radioaallot). Jälkihehku syntyy, kun kohti avaruutta etenevä relativistinen pulssi törmää ympäröivään aineeseen ja synnyttää varattujen hiukkasten synkrotronisäteilyä.
Lyhyet ja pitkät GRB:t — kaksi pääluokkaa
GRB:t jaetaan yleisesti kahteen luokkaan keston perusteella: lyhyet (alle ~2 sekuntia) ja pitkät (yli ~2 sekuntia). Pitkien purskeiden havaittu yhteys tähdenromahduksiin ja supernoviin viittaa siihen, että ne syntyvät suurten nopeasti pyörivien tähtien loppuvaiheen romahduksessa, jossa syntyy musta aukko ja kapeita, voimakkaita relativistisia säteilykeiloja.
Lyhyet purskeet näyttävät puolestaan peräisin erilaisista prosesseista, ja nykyiset havainnot tukevat mallia, jossa syynä ovat kaksoistähtien, erityisesti neutronitähtien, yhdentymiset tai neutronitähti–musta-aukko -sulautumat. Tällaiset yhdentymiset ovat myös voimakkaiden gravitaatioaaltojen lähteitä, ja GRB:t voivat siksi kuulua multimessuhavaintojen piiriin.
Energia, säteileminen ja keilautuminen
Useimpien GRB-lähteiden lähteet ovat miljardien valovuosien päässä Maasta. Tämä viittaa siihen, että räjähdykset ovat erittäin energisiä: tyypillinen räjähdys vapauttaa muutamassa sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin Aurinko koko 10 miljardin vuoden elinaikanaan. Kuitenkin suuri osa tästä energiasta on kapea-alaista keilaantumista: havaittu energiatiheys lasketaan usein isotrooppisena vasta-arvona, mutta todellinen lähetetty energia voi olla huomattavasti pienempi, koska säteily kohdentuu kapeaan keilaan.
Havaintotekniikka ja tärkeimmät löydöt
GRB:t havaitaan pääosin avaruudesta käsin toimivilla instrumenteilla, koska Maan ilmakehä absorboi gammasäteet. Merkittäviä satelliitteja ovat olleet muun muassa Swift, Fermi, INTEGRAL ja aiemmin HETE-2. Nopeat paikannukset ja moniaallonpituushavainnot ovat mahdollistaneet jälkihehkujen etsimisen ja etäisyyksien (punasiirtymien) mittaamisen.
Multimessut ja neutronitähtien yhdistyminen
Viimeaikaiset multimessuhavainnot ovat yhdistäneet osan lyhyistä GRB:istä gravitaatioaaltoihin syntyneisiin tapahtumiin. Tunnetuin esimerkki on tapahtuma GW170817, jossa neutronitähtien yhdistyminen tuotti sekä gravitaatioaaltojen signaalin että heikon gammapurskeen ja seuranneen kilonovan — optisen/punaisen jälkipolton, jonka uskotaan syntyneen raskaiden alkuaineiden muodostuksesta (ns. r-prosessi).
Magnetarit ja pehmeät gammapurkaukset
Kaikki havaitut GRB:t ovat tulleet Linnunradan ulkopuolelta. Samankaltaisia ilmiöitä, pehmeitä gammapurkauksia, liittyy Linnunradan sisällä oleviin magnetareihin. Magnetari on erittäin voimakkaan magneettikentän omaava neutronitähti, jonka äkillinen aktiivisuus voi tuottaa voimakkaita gammasäde- ja röntgensäteilypurkauksia.
Vaikutukset Maahan ja elämään
On esitetty, että Linnunradassa tapahtuva gammapurkaus voisi aiheuttaa massasukupuuton Maassa, jos purkaus osuisi tarpeeksi lähelle ja suuntautuisi kohti Maata. Tällainen vaikutus liittyisi Maan ilmakehän ionisaatioon, otsonikerroksen vaurioitumiseen ja biologisen säteilyn lisääntymiseen. Tällainen tapaus ei ole tiedossa, eikä lähimmät tunnetut GRB-lähteet uhkaa planeettaamme nykyisissä arvioissa.
Tieteelliset merkitykset ja avoimet kysymykset
GRB:t ovat tärkeitä työkaluja kosmologian ja tähtitieteen tutkimuksessa: ne toimivat kirkkaiden valonlähteinä kaukaisissa galakseissa, joiden avulla voidaan tutkia varhaista maailmankaikkeutta, galaksien evoluutiota ja väliaineen ominaisuuksia. Samalla keskeisiä tieteellisiä kysymyksiä ovat muun muassa: millainen on purkauksen keskuskoneiston tarkka rakenne, miten jetit käynnistyvät ja muuttuvat, mikä on säteilyn ja hiukkasten kiihdytyksen tarkka mekanismi sekä miten suuri osa raskaista alkuaineista syntyy näissä tapahtumissa.
Tiivistettynä: GRB:t ovat lyhyitä, mutta äärimmäisen voimakkaita ja moniaallonpituudella näkyviä räjähdyksiä, joiden alkuperä liittyy sekä massiivisten tähtien romahtamiseen että kahden kompaktin tähden yhdentymisiin. Ne tarjoavat ikkunoita äärimmäisiin fysiikan olosuhteisiin ja varhaisen maailmankaikkeuden tutkimukseen, ja niiden tarkempi ymmärtäminen jatkuu aktiivisena tutkimusalueena.
Taiteilijan kuva kirkkaasta gammasäteilypurkauksesta, joka tapahtuu tähdenmuodostumisalueella. Räjähdyksen energia säteilee kahteen kapeaan, vastakkaissuuntaiseen suihkuun.
Historia
Gammapurkauksia havaittiin ensimmäisen kerran 1960-luvun lopulla Yhdysvaltojen Vela-satelliiteilla, jotka rakennettiin havaitsemaan avaruudessa testattujen ydinaseiden lähettämiä gammasäteilypulsseja.
Heinäkuun 2. päivänä 1967 kello 14.19 UTC Vela 4 ja Vela 3 -satelliitit havaitsivat gammasäteilyn välähdyksen, joka ei muistuttanut mitään tunnettua ydinaseiden merkkiä. Los Alamosin tieteellisen laboratorion ryhmä ei ollut varma, mitä oli tapahtunut, mutta se ei pitänyt asiaa erityisen kiireellisenä, ja se arkistoi tiedot tutkimuksia varten.
Analysoimalla eri satelliittien havaitsemia erilaisia saapumisaikoja, ryhmä pystyi määrittämään karkeat arviot kuudentoista purkauksen12-16 sijainnista taivaalla ja sulkemaan lopullisesti pois maanpäällisen tai aurinkoperäisen alkuperän. Löytö julkaistiin vuonna 1973.
Kaikkien BATSE-operaation aikana havaittujen gammapurkausten sijainnit taivaalla. Jakauma on satunnainen, eikä se ole keskittynyt kohti Linnunradan tasoa, joka kulkee vaakasuoraan kuvan keskellä.
Pitkät gammasäteilypurkaukset
Useimmat havaitut tapahtumat kestävät yli kaksi sekuntia, ja ne luokitellaan pitkiksi gammapurkauksiksi. Niitä on tutkittu paljon yksityiskohtaisemmin kuin niiden lyhyitä vastineita. Lähes jokaiseen hyvin tutkittuun pitkään gammapurkaukseen on liittynyt nopeasti kehittyvä galaksi ja monissa tapauksissa myös ytimen romahtanut supernova. Tämä yhdistää pitkät GRB:t massiivisten tähtien kuolemaan. Pitkien GRB:iden jälkihehkujen havainnot suurella punasiirtymällä (suurilla etäisyyksillä) viittaavat myös siihen, että GRB:t saavat alkunsa tähdenlentojen muodostumisalueilta. Tämä johtuu siitä, että kaukana sijaitsevien galaksien havainnointi merkitsee ajassa taaksepäin katsomista aikaisemmassa vaiheessa oleviin galakseihin.
Energetiikka
Gammapurkausten ajatellaan olevan hyvin keskittyneitä räjähdyksiä, joissa suurin osa räjähdyksen energiasta on kapeassa relativistisessa suihkussa, joka kulkee yli 99,995 prosentin valonnopeudella.
Suihkun likimääräinen kulmaleveys (eli säteilyaste) voidaan arvioida suoraan havainnoimalla "suihkukatkoksia" jälkivalokäyrissä: aika, jonka jälkeen hitaasti heikkenevä jälkivalo alkaa yhtäkkiä hiipua, kun suihku hidastuu eikä pysty enää säteilemään säteilyään niin tehokkaasti. Havaintojen mukaan suihkukulma vaihtelee merkittävästi 2-20 asteen välillä.
Koska niiden energia on voimakkaasti sädetettyä (hyvin kapeaa), useimpien purkausten lähettämät gammasäteet eivät osu Maahan eikä niitä koskaan havaita. Kun gammapurkaus kohdistetaan kohti Maata, sen energian keskittäminen suhteellisen kapeaan säteen saa purkauksen näyttämään paljon kirkkaammalta kuin se olisi ollut, jos sen energia olisi emittoitunut pallomaisesti. Kun tämä vaikutus otetaan huomioon, havaitaan, että tyypillisissä gammasäteilypurkauksissa vapautuva energia on todellisuudessa noin 1044 J eli noin 1/2000 Auringon massan energiaekvivalentista.
Tämä on verrattavissa kirkkaassa Ib/c-tyypin supernovassa (jota kutsutaan joskus "hypernovaksi") vapautuvaan energiaan. Erittäin kirkkaita supernovia on nähty joidenkin lähimpien GRB:ien kohdalla.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä ovat gammasäteilypurkaukset?
V: Gammasäteilypurkaukset (GRB) ovat erittäin voimakkaiden räjähdysten aiheuttamia gammasäteiden välähdyksiä.
K: Kuinka kauan GRB:t yleensä kestävät?
V: GRB-purkaukset voivat kestää millisekunneista useisiin minuutteihin, mutta tyypillinen purkaus kestää muutaman sekunnin.
K: Mikä on useimpien GRB-purkausten lähde?
V: Useimmat GRB-purkaukset ovat kapea voimakkaan säteilyn säde, joka vapautuu supernovan aikana, kun valtava nopeasti pyörivä tähti romahtaa muodostaen mustan aukon.
K: Mistä useimmat havaitut GRB:t tulevat?
V: Kaikki havaitut GRB:t ovat peräisin Linnunradan ulkopuolelta.
K: Kuinka paljon energiaa keskimääräinen purkaus vapauttaa?
V: Tyypillinen purkaus vapauttaa muutamassa sekunnissa yhtä paljon energiaa kuin Aurinko koko 10 miljardin vuoden elinaikanaan.
K: Kuinka harvinaisia GRB-tapahtumat ovat?
V: Ne ovat hyvin harvinaisia (muutama galaksia kohti miljoonaa vuotta kohti).
K: Voisivatko gammapurkaukset aiheuttaa vaaraa omassa galaksissamme?
V: On esitetty, että Linnunradassa tapahtuva gammapurkaus voisi aiheuttaa massasukupuuton Maassa, mutta tällaista tapausta ei ole tiedossa.
Etsiä