Explosão de raios gama

Impressão artística de um raio gama brilhante estourado em uma formação estelar. A energia da explosão irradia em dois jatos estreitos e opostos.

Explosões de raios gama , explosões de raios gama , explosões de raios gama , ou explosões de raios gama ( Inglês rajadas de raios gama , muitas vezes abreviado OOG ) são explosões de energia muito elevado desempenho no universo , do qual grandes quantidades de radiação electromagnética para fora.

A origem das explosões de raios gama ainda não foi totalmente esclarecida. Uma explosão de raios gama foi observada pela primeira vez em 2 de julho de 1967 com os satélites de vigilância American Vela , que foram usados ​​para detectar testes de bombas atômicas acima do solo . Foi só em 1973 que os cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, determinaram que os raios vinham do espaço profundo usando os dados dos satélites.

O termo "explosão de raios gama" provavelmente se tornou comum porque os satélites Vela foram projetados e equipados para detectar a radiação gama de explosões de armas nucleares . A radiação eletromagnética com energias de fótons na faixa keV e superior é geralmente referida como radiação gama se sua fonte e origem forem desconhecidas. Os flashes de raios gama não são sobre radiação gama no sentido físico-nuclear mais restrito.

Observações

Explosões de raios gama liberam mais energia em dez segundos do que o sol em bilhões de anos. Enquanto durar o brilho, uma explosão de raios gama é mais brilhante do que todas as outras fontes de raios gama no céu. Explosões de raios gama também têm um brilho residual no espectro óptico e de raios-X que desaparece lentamente em períodos da ordem de dias e semanas.

O flash de raios gama mais brilhante observado até agora foi registrado pelo satélite de pesquisa Swift da NASA em 19 de março de 2008. O surto veio de um objeto a 7,5 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Ele era 2,5 milhões de vezes mais brilhante do que a supernova fluorescente mais forte observada anteriormente e poderia ser o primeiro GRB ( inglês sendo visto em rajadas de raios gama) a olho nu. Esta explosão foi catalogada sob o número GRB 080319B .

Pós-luminescência óptica do flash de raios gama GRB-990123 (ponto brilhante no quadrado branco e seção ampliada ). O objeto curvo acima é a galáxia de onde ele se originou. Provavelmente foi deformado por uma colisão com outra galáxia.

A radiação das explosões de raios gama não consegue penetrar na atmosfera da Terra inalterada. Portanto, as explosões de raios gama podem

• diretamente apenas com telescópios espaciais
• ou indiretamente medindo os chuveiros de radiação secundária liberados na atmosfera.

Por causa de sua curta duração e alta luminosidade e por causa da baixa resolução espacial dos telescópios de satélite, as explosões de raios gama não puderam ser atribuídas a fontes conhecidas (visíveis) nem suposições confiáveis ​​sobre suas causas. A princípio, supôs-se que as fontes do raio estivessem dentro de nossa Via Láctea , porque eventos de tal brilho pareciam fisicamente inexplicáveis ​​de mais longe. Por sua distribuição uniforme por todo o céu, entretanto, pode-se concluir que se trata de eventos extragaláticos . Caso contrário, teriam que se agrupar no plano da Via Láctea, onde se localiza a maioria das estrelas da Via Láctea, ou, se pertencessem ao halo da Via Láctea, na direção do centro galáctico.

Um grande avanço foi alcançado através da localização muito rápida das explosões de raios gama, de modo que outros telescópios possam ser automaticamente apontados para sua posição no céu enquanto a explosão de raios gama ainda está em andamento . Com a ajuda do satélite de raios X BeppoSAX , o brilho residual dos flashes de raios gama na faixa dos raios X pôde ser observado pela primeira vez em 1997. Devido à determinação de posição muito mais precisa na astronomia de raios-X , foi possível fazer observações de acompanhamento direcionadas em UV e luz visível e atribuí-las a fontes conhecidas. Galáxias distantes foram encontradas nos locais das explosões de raios gama e, portanto, foi possível provar diretamente que as explosões de raios gama têm fontes extragalácticas.

duração

A duração dos flashes de raios gama é de alguns segundos a no máximo alguns minutos; duas exceções conhecidas são GRB 060218 com 33 minutos e GRB 110328A (Sw 1644 + 57), que alcançou uma duração recorde de várias semanas.

O GRB pode ser dividido em duas classes diferentes de acordo com sua duração. As longas GRBs durar cerca de 35 segundos, em média, o ultra- longa GRB mais de 10.000 segundos. Em alguns GRBs muito longos, uma supernova de colapso do núcleo pode ser observada ao mesmo tempo que o flash de raios gama .

Em 4 de setembro de 2005, o satélite Swift da NASA registrou um surto que durou 200 segundos, tornando-o um dos GRBs longos. Ele veio de uma região a 12,7 bilhões de anos-luz de distância, ou seja, da época do universo relativamente jovem . Esta rajada de raios gama com a designação GRB 050904 é um dos GRBs mais distantes e na época era o segundo evento mais antigo documentado no universo.

Em contraste, GRBs curtos duram menos de dois segundos. O brilho posterior óptico deste GRB também é muito mais curto do que o do GRB longo. Foi observado pela primeira vez em 2005. GRBs curtos geralmente têm espectros de raios-X mais difíceis do que os longos. Cerca de 30% de todos os GRBs curtos são seguidos por uma explosão de raios-X altamente variável com duração de até 100 segundos. Este comportamento diferente dentro da classe do GRB curto sugere mais de um mecanismo de origem.

Em 27 de dezembro de 2004, a Terra foi atingida pela erupção de raios-X e gama GRB 041227 (21:30 UTC ) . Uma estrela de nêutrons liberou mais energia em 0,2 segundos do que o Sol em 150.000 anos. A frente de onda a cerca de 50.000 anos-luz de distância da fonte foi mais intensa do que a mais forte explosão de radiação do nosso sol já medida. Pesquisadores na Austrália relataram que a explosão gigante da estrela de nêutrons SGR 1806-1820 a tornou mais brilhante do que a lua cheia por um décimo de segundo.

Pausa antecipada

Aproximadamente 15 por cento de todas as explosões de raios gama mostram um ou mais precursores ( precursor ). Esta é a radiação gama que ocorre até 100 segundos antes do surto principal e tem cerca de 100 vezes menos luminosidade. Antes da erupção principal, geralmente há uma fase em que nenhuma radiação é detectada. O espectro corresponde ao da erupção principal. Se vários precursores são observados, há períodos de descanso de cerca de 10 segundos entre eles.

espectro

Espectro do raios gama explosão 910503 logarítmica está representada graficamente a espectral de fotões densidade de fluxo de N (E) com E ² escalonado pela energia dos fotões de E . O gráfico de função vermelho e azul mostra o curso da fórmula fenomenológica mostrada aqui.

A radiação mostra um espectro contínuo com energias de fótons de menos de 1  keV até a faixa de MeV. A maioria dos espectros pode ser descrita dividindo-os em duas áreas. Na faixa de baixas energias até algumas centenas de keV (dependendo do GRB), a frequência dos fótons diminui exponencialmente à medida que a energia dos fótons aumenta. Na área de altas energias, há uma redução ainda maior nas frequências de uma hipérbole . Por causa da ampla gama de energias que ocorrem, as frequências dos canais individuais diferem em muitas potências de dez. Portanto, uma representação linear de todo o espectro em um diagrama não faz sentido. É melhor aplicar uma quantidade de potência (frequência · energia²) à energia de maneira logarítmica dupla. Esta representação mostra um máximo para a maioria dos espectros, ou seja, na energia do fóton em que a maior potência foi recebida. Este pico de energia é característico da explosão de raios gama e tem uma média de 250 keV para as explosões de raios gama investigadas pelo BATSE .

O modelo fenomenológico exato para o espectro contínuo é:

${\ displaystyle N (E) \ sim {\ begin {cases} {E ^ {\ alpha} \ exp \ left ({- {\ frac {E} {E_ {0}}}} \ right)}, & { \ text {for}} E \ leq (\ alpha - \ beta) E_ {0} \ \\ {\ left [{\ left ({\ alpha - \ beta} \ right) E_ {0}} \ right] ^ {\ left ({\ alpha - \ beta} \ right)} E ^ {\ beta} \ exp \ left ({\ beta - \ alpha} \ right)}, & {\ text {para}} E> (\ alpha - \ beta) E_ {0} \ \ end {cases}}.}$

• ${\ displaystyle \ alpha}$e são parâmetros livres;${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha \ approx -1, \ beta \ approx -2}$
• ${\ displaystyle E_ {0}}$está ligado ao pico de energia via .${\ displaystyle E_ {p}}$${\ displaystyle E_ {0} = {\ frac {E_ {p}} {2+ \ alpha}}}$

Para e resultados: ${\ displaystyle \ alpha = -1}$${\ displaystyle \ beta = -2}$

${\ displaystyle N (E) = {\ begin {cases} {E ^ {- 1} \ exp \ left ({- {\ frac {E} {E_ {p}}}} \ right)}, & {\ texto {para}} E \ leq E_ {p} \\ E_ {p} E ^ {- 2} e ^ {- 1}, & {\ texto {para}} E> E_ {p} \ \ end {casos }}}$

Linhas espectrais individuais fracas são sobrepostas no continuum, mas são fortemente ampliadas por Doppler . Essas linhas no espectro contínuo fornecem uma visão dos processos físicos de criação da radiação. O forte deslocamento para o azul significa que o material explosivo está se movendo em direção ao observador a uma velocidade altamente relativística. O alargamento Doppler resulta do forte movimento térmico devido à alta temperatura do material emissor.

O espectro não é constante durante o GRB, mas pode ser aproximado em todos os momentos usando as mesmas funções mencionadas acima, apenas os parâmetros mudam ao longo do tempo. Em geral, o pico de energia e, portanto, a dureza do espectro diminui durante a duração do flash de raios gama, mas também pode aumentar brevemente novamente durante o curso do flash com rajadas de intensidade.

Emergência possível

Devido à curta duração da explosão de raios gama, a área da qual foi emitida não pode ser muito grande. O diâmetro de um objeto lento (menos de 10% da velocidade da luz ) é no máximo igual à menor variação no brilho multiplicada pela velocidade da luz; devido aos efeitos relativísticos , esta área pode ser um pouco maior, mas ainda é muito pequena. Explosões de supernovas especiais, chamadas hipernovas , são, portanto, uma possível causa de explosões de raios gama. Outra possível causa de uma explosão de raios gama é a fusão de estrelas de nêutrons .

Se uma explosão de raios gama fosse irradiar uniformemente em todas as direções, a explosão de raios gama GRB-990123 de janeiro de 1999 (veja a imagem acima) teria que ter uma potência de radiação de mais de 10 ⁴⁵  watts , correspondendo a 2,5 · 10 ¹⁸ vezes a luminosidade solar , ou seja, 2,5  trilhões de sóis. Mesmo os quasares obtêm apenas 10 ⁴⁰  watts.

É, portanto, assumido que uma explosão de raios gama é emitida apenas em duas áreas estreitas, opostas e cônicas com um ângulo de abertura de alguns graus, ou seja, a radiação é focada como um farol. Isso reduz a potência de radiação necessária para explicar o brilho observado em aproximadamente 3 potências de dez, mas ainda é extremamente alta. Além disso, o foco pode explicar a intensidade das explosões de energia sem violar os princípios físicos fundamentais. Finalmente, a explosão de raios gama é causada por ondas de choque no gás da explosão da supernova , que está se propagando quase à velocidade da luz . A quantidade total de energia liberada é aproximadamente da mesma ordem de magnitude que uma supernova, mas a supernova irradia a maior parte de sua energia na forma de neutrinos . Os cálculos do modelo mostram que a curva de brilho observada das explosões de raios gama se encaixa bem com as suposições. As observações feitas pelo GRB 080319B (ver acima) mostram que dentro das áreas cônicas ainda existe um jato menor, ainda mais 'pontudo' que praticamente não apresenta alargamento de diâmetro. Na explosão de raios gama acima mencionada, a Terra estava localizada exatamente dentro deste 'feixe de laser', o que deveria representar um evento raro: é possível que haja tal segundo feixe com cada explosão de raios gama, mas isso só pode ser observado quando a terra ou o dispositivo de medição está dentro deste estreito cone de radiação está localizado. Até agora, esse foi o caso apenas com GRB 080319B.

Ilustração de uma estrela enorme colapsando em um buraco negro . A energia liberada na forma de jatos ao longo do eixo de rotação forma uma explosão de raios gama.

A diferença para uma supernova normal é explicada pelo fato de que estrelas particularmente massivas com mais de 20  massas solares criam uma hipernova , a área do núcleo central da qual colapsa em um buraco negro em rotação rápida . O gás circundante corre ao redor do buraco negro em um disco de acreção e aquece muito fortemente quando cai. Os jatos de gás são então ejetados perpendicularmente ao plano do disco e geram as explosões de raios gama. A fusão de duas estrelas de nêutrons leva a resultados semelhantes.

Mesmo que haja suspeita de uma conexão com supernovas, não era possível até 1997 ligar diretamente uma explosão de raios gama com a morte de uma estrela. O satélite High Energy Transient Explorer (HETE) observou uma explosão de raios gama, cuja fonte foi encontrada para ser o colapso de uma estrela 15 vezes a massa do sol.

Para uma parte do GRB com uma longa erupção, uma supernova foi encontrada no mesmo local, que acendeu algumas horas depois. Todas as correspondências confirmadas são uma supernova de colapso de núcleo nu do tipo Ic-b1. Essas estrelas desenvolvidas produziram todos os elementos até o ferro em seu núcleo e perderam pelo menos as camadas ricas em hidrogênio da atmosfera por meio do vento estelar ou da interação em um sistema estelar binário. No entanto, um flash de raios gama correspondente foi encontrado apenas em uma proporção muito pequena das supernovas Ic-b1. Isso é explicado em primeiro lugar pelo estreito cone no qual a radiação gama é emitida e no qual apenas uma pequena parte de todas as supernovas é direcionada para a Terra; segundo, a energia da explosão de raios gama nem sempre é suficiente para penetrar na atmosfera remanescente da estrela. Por outro lado, as supernovas não foram encontradas para todas as explosões de raios gama longas. Portanto, deve haver outros canais de formação para rajadas de raios gama longos.

Os seguintes eventos estão associados à formação de rajadas de raios gama longos:

• Uma supernova de colapso do núcleo associada à criação de uma estrela de nêutrons ou buraco negro
• Uma hipnova hipotética associada à criação de um buraco negro

Por um curto período, os astrônomos acreditaram que magnetares (jovens estrelas de nêutrons instáveis ​​cercadas por um campo magnético extremamente forte) poderiam ser a fonte de explosões de raios gama particularmente curtas. Mas a teoria magnetar provavelmente está errada, como outras observações em 2005 mostraram. A sonda HETE-2 , que está no espaço desde outubro de 2000, foi capaz de interceptar um flash de raios gama de apenas 70 milissegundos em 9 de julho de 2005. Os cientistas correram para alinhar os telescópios espaciais Hubble e Chandra e o telescópio dinamarquês de 1,5 metro em La Silla, Chile, com a explosão. Desta forma, foram criadas as primeiras imagens do resplendor de um curto flash de raios gama na área da luz óptica.

Três cenários são discutidos para a formação de rajadas curtas de raios gama

• A fusão de duas estrelas de nêutrons em um sistema estelar binário por meio de colisão
• A fusão de uma estrela de nêutrons e um buraco negro em um sistema estelar binário por meio de colisão
• O colapso de uma anã branca (supernova termonuclear, tipo Ia) quando a massa máxima é excedida por acreção ( limite de Chandrasekhar )

A emissão de raios X após a eclosão pode vir da perda de energia rotacional de um magnetar que acabou de se formar .

Em 17 de agosto de 2017, um sinal de onda gravitacional ( GW170817 ) da fusão de duas estrelas de nêutrons foi observado pela primeira vez . Ao mesmo tempo, estava associado a um curto flash de raios gama (GRB 170817A) e podia ser observado nas faixas de ondas ópticas e eletromagnéticas. Esta foi a primeira evidência de uma conexão presumida entre flashes curtos de raios gama e a colisão de duas estrelas de nêutrons.

Com a ajuda de uma simulação de computador, os cientistas do Instituto Max Planck de Física Gravitacional examinaram a fusão de duas estrelas de nêutrons para formar um buraco negro com mais detalhes e foram capazes de mostrar pela primeira vez que uma estrutura em forma de jato é formada ao longo do eixo de rotação, através da reorganização do campo magnético durante a fusão, podem surgir explosões de raios gama internos. Para a simulação, os cientistas resolveram as equações de campo de Einstein e as equações da magnetohidrodinâmica para este cenário.

Especulação sobre as consequências de explosões de raios gama próximas

Possível mecanismo

O dano imediato e instantâneo causado por uma explosão de raios gama direcionada diretamente para a Terra seria limitado de acordo com os resultados de um estudo, uma vez que as explosões de raios gama são geralmente apenas breves e uma grande parte dos raios gama não atingem a terra . A radiação gama é absorvida na atmosfera , produzindo óxido nítrico , entre outras coisas . O lado da Terra voltado para o lado oposto da explosão de raios gama também não seria afetado imediatamente pela explosão de raios gama, uma vez que a radiação gama não pode penetrar no planeta. No entanto, uma explosão de raios gama suficientemente próxima forma tanto óxido de nitrogênio na atmosfera que a camada de ozônio seria gravemente danificada. Isso também pode ter uma forte influência no lado da terra intocada.

Extinção em massa histórica

Uma das maiores extinções em massa na história da Terra pode ter sido desencadeada por um flash de raios gama na Via Láctea . Por exemplo, há especulação sobre um evento 443 milhões de anos atrás (fim do Ordoviciano ). Como resultado de um flash de raios gama, a radiação ultravioleta do sol teria penetrado nas camadas superiores de água dos oceanos primordiais sem impedimentos depois que a camada de ozônio foi destruída. Organismos que viviam perto da superfície da água poderiam ter sido mortos lá (organismos terrestres não existiam naquela época). Como indicação de tal cenário, afirma-se que, no final do Ordoviciano, muitos trilobitas que viviam perto da superfície da água morreram.

Perigos futuros

Um grupo de cientistas da Ohio State University foi solicitado a descobrir quais seriam as consequências se uma explosão de raios gama nas proximidades (cerca de 500 anos-luz) atingisse a Terra. A investigação também deve ajudar a esclarecer as extinções em massa na Terra e ser capaz de avaliar a probabilidade de vida extraterrestre . Como resultado, os cientistas suspeitam que uma explosão de raios gama que ocorre perto do nosso sistema solar e atinge a Terra pode desencadear extinções em massa em todo o planeta. O dano severo esperado para a camada de ozônio colapsaria o suprimento global de alimentos e levaria a mudanças duradouras no clima e na atmosfera. Isso causaria uma extinção em massa na Terra e reduziria a população mundial para, por exemplo, 10% de seu valor atual.

O dano causado por uma explosão de raios gama seria significativamente maior do que o causado por uma supernova que ocorre na mesma distância que a explosão de raios gama. De acordo com o estudo, as explosões de raios gama além de 3.000  anos-luz não representam perigo.

Explosões de raios gama notáveis

GRB de particular importância histórica ou científica:

• 670702 - 2 de julho de 1967: O primeiro GRB observado.
• 970228 - 28 de fevereiro de 1997: O primeiro GRB a detectar com sucesso pós-luminescência.
• 970508 - 8 de maio de 1997: O primeiro GRB com um redshift determinado com precisão (um valor que permite aos astrônomos determinar a distância de um evento ou objeto).
• 980425 - 25 de abril de 1998: O primeiro GRB observado em conexão com uma supernova (SN 1998bw); mostrou uma relação estreita entre SN e GRB.
• 990123 - 23 de janeiro de 1999: O primeiro GRB a detectar uma emissão na faixa do visível (veja a imagem acima).
• 041227 - 27 de dezembro de 2004: A Terra é atingida por uma enorme explosão de raios gama, cuja frente de onda emanou de um magnetar (SGR 1806–1820) a uma distância de 50.000 anos-la.
• 050509B - 9 de maio de 2005: O primeiro GRB curto para identificar o corpo de origem (apoiou a teoria de que GRBs curtos não estão relacionados a supernovas).
• 050724 - 24 de julho de 2005: Um GRB curto, cuja origem foi determinada como uma estrela de nêutrons orbitando um buraco negro.
• 050904 - 4 de setembro de 2005: Um antigo recorde de distância para um GRB com um redshift de 6,29 (12,7 bilhões de anos-luz).
• 080319B - 19 de março de 2008: O GRB mais brilhante e a supernova mais brilhante descobertos até hoje ( brilho absoluto : -36 mag); também o primeiro GRB que pode ser observado a olho nu ( magnitude aparente : 5,76 mag); ao mesmo tempo, o objeto mais distante que já foi observado a olho nu (7,5 bilhões de anos-luz).
• 080913 - 13 de setembro de 2008: O antigo recorde de distância para um GRB com um desvio para o vermelho de 6,7 (12,8 bilhões de anos-luz).
• 090423 - 23 de abril de 2009: O GRB mais distante com um desvio para o vermelho de 8,2 (13,035 bilhões de anos-luz) e, portanto, o evento mais antigo documentado no universo (aproximadamente 630 milhões de anos após o Big Bang). Ele foi descoberto com Swift e o GROND no Observatório La Silla.
• 100621A - 21 de junho de 2010: O flash de raios gama mais forte já registrado; isso fez os instrumentos de medição do Swift falharem; com 143.000 fótons / s (raios-X) mais fortes do que o registro anterior (GRB 080916C).
• 110328A - 28 de março de 2011: O GRB mais antigo até o momento foi descoberto com Swift na constelação de Draco . O fenômeno durou mais de uma semana.
• 130427A - 27 de abril de 2013: O evento pôde ser detectado por telescópios espaciais e telescópios terrestres no Leão e é considerado o GRB mais enérgico e mais duradouro até hoje.
• 130603B - 3 de junho de 2013: Registrado pelo satélite Swift e pela sonda Wind (com seu espectrômetro de raios gama transiente). Da mesma forma, a região foi observada pelo Telescópio Espacial Hubble nove dias antes e 30 dias após a erupção. No terceiro dia após a erupção, o fluxo de raios X na região foi medido usando o satélite de raios X XMM-Newton .
• GRB 170817A - 17 de agosto de 2017: com este flash de raios gama, uma onda gravitacional pode ser medidasimultaneamente pela primeira vez.

Veja também

• Kilonova
• Raio gama de baixa luminosidade
• Flash rápido de rádio

literatura

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Links da web

• www.wissenschaft.de: Quando as explosões de raios gama morrem . - O satélite Swift observa a transição do relâmpago para o pós-luminescência pela primeira vez
• Swift: Mapa do céu em tempo real de explosão de raios gama . - com base em dados do satélite Swift da NASA
• NASA: Rede de Coordenadas de Explosão de Raios Gama .
• As maiores explosões do universo bbc.com

Vídeos

• O que é uma hipernova? da série de televisão alfa-Centauri (aprox. 15 minutos). Primeira transmissão em 6 de dezembro de 2006.
• Os buracos negros estão se fundindo? da série de televisão alfa-Centauri (aprox. 15 minutos). Transmissão pela primeira vez em 27 de maio de 2001.
• Qual é o superflare de 27 de dezembro de 2004? da série de televisão alfa-Centauri (aprox. 15 minutos). Primeira transmissão em 27 de setembro 2006.

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