Gammasugár-kitörések (GRB) — mi az, okai, típusai és következményei

Fedezd fel a gammasugár-kitörések (GRB) lényegét, okaikat, típusait és potenciális földi következményeiket — a világegyetem legenergikusabb robbanásai.

A gammakitörések (GRB-k) rendkívül energikus robbanásokból származó gammasugárzások. Ezeket távoli galaxisokban látták, és a világegyetemben ismert legfényesebb elektromágneses események közé tartoznak. A kitörések rövid ideig, milliszekundumtól több percig tartanak; egy tipikus esemény azonban néhány másodpercig aktív. A kezdeti, erős gamma-sugárzást rendszerint egy hosszabb élettartamú, alacsonyabb energiájú "utófény" követi, amely röntgen, ultraibolya, látható fény, infravörös és rádióhullámokban is megfigyelhető.

Mi okozza a GRB-ket?

A legtöbb hosszú időtartamú GRB úgy tűnik, hogy egy nagy tömegű, gyorsan forgó csillag összeomlásához kapcsolódik: a mag kollapszusa fekete lyukká vagy gyorsan forgó neutroncsillaggá alakul, és keskeny, rendkívül gyors jet(ek) törnek ki a csillag belsejéből. Ezeket az eseményeket gyakran kíséri egy fényes szupernóva. A GRB-k kisebbik csoportja — a "rövid" kitörések — feltehetően más eredetű: a legvalószínűbb források közé tartoznak a kettős neutroncsillagok összeolvadása vagy neutroncsillag–fekete lyuk egyesülések.

Típusok és jellemzők

• Hosszú GRB-k (>2 s): általában fiatal, csillagkeletkezésben gazdag galaxisokhoz kapcsolódnak; magkollapszus (collapsar) mechanizmus jellemző.
• Rövid GRB-k (<2 s): spektrálisan általában "keményebbek"; sok esetben idős csillagpopulációkban és elliptikus galaxisokban is megfigyelték őket, ami a kompakt objektumok összeolvadására utal. 2017-ben észlelt GW170817/GRB170817A esettanulmányban a gravitációs hullámok és a GRB együttes megfigyelése egyértelmű bizonyítékot adott a kettős neutroncsillag-összeolvadásra és a hozzá kapcsolódó kilonóvára.
• Más típusok: a Tejútrendszeren belüli, lágy gamma-ismétlődő kitörések (soft gamma repeaters, SGR) általában magnetárokhoz kapcsolódnak, és nem azonosak a távoli, kozmológiai GRB-kkel.

Megfigyelés és történet

Az első GRB-ket 1960-as évek végén fedezték fel katonai műholdak (Vela-sorozat) segítségével. Azóta számos űrtávcső és műszer folyamatosan figyeli a gamma-égboltot; fontos műszerek például a Swift, a Fermi, az INTEGRAL és a Konus‑Wind. A GRB-k eloszlása az égen és nagy vöröseltolódásuk már korán arra utalt, hogy ezek kozmológiai távolságban, tehát nagyon nagy energiával rendelkeznek.

Fizikai mechanizmusok és sugárzás

A prompt (kezdeti) gamma-sugárzás általában nem termikus, nem egyszerű fekete‑test spektrum — a spektrumok gyakran illeszthetők Band-függvényekkel, és a sugárzás nagy valószínűséggel szinkrotron és inverz Compton folyamatokból ered a belső ütközések, mágneses rekonstrukció vagy más gyorsítási mechanizmusok hatására. Az utófény (afterglow) az úgynevezett külső sokkokból származik, amikor a relativisztikus jet kölcsönhatásba lép a környező anyaggal; ez az utófény órákon, napokon vagy akár éveken át is detektálható alacsonyabb energiájú tartományokban.

Energia, beaming és távolságok

A legtöbb GRB forrása több milliárd fényévre van a Földtől. Ez azt jelenti, hogy ha a sugárzás minden irányba kisugárzódna, egy tipikus kitörés néhány másodperc alatt annyi energiát adna le, amennyit a Nap a teljes 10 milliárd éves élettartama alatt — azonban a sugárzás sok esetben keskeny jetbe koncentrálódik, így a tényleges (korszerűbben "korrigált") energiaigény kisebb. A jetek nyílásszöge befolyásolja, hogy mennyi energiát látunk és milyen gyakran észlelünk egy adott típusú GRB-t.

Galaktikus előfordulás és gyakoriság

GRB-k relatíve ritkák: az egyes galaxisonként megfigyelt eseményeket gyakran "néhány darab millió évenként" jelző kifejezéssel írják le; pontos számok a jet beamingjétől és a csillagászati környezettől függenek. Mivel a megfigyelés nagy része a jet irányába történik, a valós (teljes) eseménysűrűség jóval magasabb lehet.

Következmények a Földre és a világegyetemre

• Atmoszférikus hatások: közeli, erős GRB elméletileg képes lehet jelentős ozonréteg-károsodást okozni, ami megnövelheti a felszíni UV-sugárzást és befolyásolhatja az élővilágot. Ezért felmerült, hogy nagyon ritka, de közeli GRB-k szerepet játszhattak ősi kihalásoknál (például egyes elképzelések a késő ordovícium kihalásról beszélnek), ám ilyen kapcsolatot közvetlenül nem bizonyítottak.
• Neutronbefagyasztás és nehéz elemek: a rövid GRB-khez kapcsolódó összeolvadások fontos helyei lehetnek az r‑folyamatnak, amely a nehéz, neutront dús elemek (pl. arany, platina) létrehozásáért felelős.
• Kozmológiai szondák: a GRB-k nagyon nagy távolságból is fényes háttérforrásokként szolgálnak, így használhatók a korai világegyetem tanulmányozására, a csillagkeletkezési történet nyomon követésére és a köztes anyag (IGM) vizsgálatára.

Példák és mérföldkövek

Néhány emlékezetes esemény: a nagyon fényes GRB 080319B, amely szabad szemmel is láthatóvá vált; a nagy vöröseltolódású GRB 090423 (z ≈ 8,2) és a fotometrikus jelölt GRB 090429B (z ≈ 9,4), amelyek a korai univerzum csillagkeletkezését tárták fel; valamint az 2017-es GW170817/GRB170817A többcsatornás megfigyelése, amely közvetlen kapcsolatot igazolt a kettős neutroncsillag‑összeolvadás és a rövid GRB között.

Megfigyelő műszerek és a jövő

A GRB-k kutatása gyorsan fejlődik a gyors értesítési rendszereknek (trigger-ek) és az automatikus nyomonkövető távcsöveknek köszönhetően. A jelenlegi és jövőbeli űrműszerek, továbbá a gravitációs hullám‑detektorok és nagy földi teleszkópok összehangolt munkája révén egyre több GRB esetében sikerül korán azonosítani az utófényt, megtalálni a hosztgalaxist és pontosan mérni a vöröseltolódást és a környező körülményeket.

Összefoglalva: a gammakitörések a csillagászati megfigyelések egyik legszélsőségesebb és leginformatívabb jelenségei. Megértésük nemcsak a robbanásmechanizmusokat és kompakt objektumokat világítja meg, hanem a világegyetem korai fejlődésére és a nehéz elemek keletkezésére vonatkozó kérdésekre is választ adhat.

Történelem

A gammakitöréseket először az 1960-as évek végén figyelték meg az amerikai Vela műholdak, amelyeket az űrben tesztelt nukleáris fegyverek által kibocsátott gammasugárzási impulzusok észlelésére építettek.

1967. július 2-án, 14:19 UTC-kor a Vela 4 és a Vela 3 műholdak olyan gamma-sugárzást észleltek, amely nem hasonlított egyetlen ismert nukleáris fegyver jeléhez sem. A Los Alamos-i tudományos laboratórium csapata nem tudta, hogy mi történt, de nem tartotta az ügyet különösen sürgősnek, ezért az adatokat vizsgálatra elraktározta.

A különböző műholdak által észlelt kitörések eltérő érkezési idejének elemzésével a kutatócsoport képes volt tizenhat kitörés12-16 égboltbeli pozíciójának durva becslését meghatározni, és véglegesen kizárni a földi vagy napenergia eredetét. A felfedezést 1973-ban tették közzé.

A BATSE-misszió során észlelt összes gammakitörés helyzete az égbolton. Az eloszlás véletlenszerű, nincs koncentráció a Tejútrendszer síkja felé, amely vízszintesen fut a kép közepén.

Kérdések és válaszok

K: Mik azok a gammakitörések?

K: Mennyi ideig tartanak jellemzően a GRB-k?

K: Mi a legtöbb GRB forrása?

K: Honnan származik a legtöbb megfigyelt GRB?

K: Mennyi energiát szabadít fel egy átlagos kitörés?

K: Mennyire ritkák a GRB események?

K: Jelenthetnek-e veszélyt a gammakitörések a saját galaxisunkban?

Keresés betűvel