Supernovos ir sprogimai Visatoje. UFO Page. Lithuanian

1999 m. sausio 23 d. anksti ryte New Mexico valstijos automatinis teleskopas užfiksavo silpną šviesos pliūpsnį Corona Borealis (Šiaurės vainiko arba Darželio) žvaigždyne. Nors vos įžiūrimas su žiūronais, jis tapo ryškiausiu kada nors žmonijos stebėtu sprogimu Visatoje. Šviesa iki mūsų keliavo 9 mlrd. metų – beveik pusės mūsų stebimos Visatos atstumu. Jei toks sprogimas įvyktų už kelių tūkstančių šviesmečių, jo spinduliavimas sunaikintų bet kokią gyvybę Žemėje.

Šis žybsnis buvo antruoju gama spindulių protrūkiu (GRB) kelių paskutinių dešimtmečių laikotarpiu – ir truko apie pusantros minutės. Pirmąjį 1967 m. liepos 2 d. užfiksavo karinis branduolinių sprogdinimų kosmose stebėjimo palydovas. Kiekvienas toks įvykis sukelia sąmyšį – kai tyrinėtojai mano jau radę paaiškinimą, nauji duomenys juos numeta į pradinį tašką (skaitykite ir apie greituosius radijo signalus).

Iki 1997 m. daugiausia buvo žinoma iš BATSE (Burst and Transient Source Experiment) stebėjimų Compton Gamma Ray observatorijoje. Buvo nustatyta, kad kasdien kažkur mūsų stebimoje Visatoje įvyksta du ar trys GRB. Jie skirstomi į du tipus: trumpalaikius ir ilgalaikius, kurių yra dauguma. Abu tipai skiriasi spektroskopiškai – ir iš jų trumpalaikiai turi daugiau aukštos energijos spindulių.

Stebėjimais nustatyta, kad GRB tolygiai pasiskirstę visame dangaus plote. Tai parodo, kad jų šaltinis nėra Paukščių tako galaktika. Informacijos vien iš gama spindulių nepakanka, kad būtų galima padaryti daugiau išvadų. Reikia GRB susieti su spinduliavimais kitais bangų ilgiais.

Pažanga pasiekta 1996 m. iškėlus BeppoSAX palydovą, kuris lokalizavo GRB ir nustatė rentgeno spindulių „likutinį švytėjimą“ (atsirandantį pasibaigus rentgeno spinduliavimui), išsilaikantį dienas ar net mėnesius virtus „silpnesniu“ spinduliavimu, tame tarpe matomą spektrą bei radijo bangas. BeppoSAX sugebėjo nustatyti „likutinį spinduliavimą“ tik ilgalaikiams GRB, tačiau to pakako, kad būtų nustatytos galaktikos, kuriuose jie kilo. Beveik visi šaltiniai buvo kelių milijardų šviesmečių atstumu, kas reiškė, kad juos sukėlę sprogimai buvo nepaprastai galingi. Nenuostabu, kad tyrinėtojai GRB ėmė sieti su juodosiomis skylėmis.

Vienu pirmųjų BeppoSAX „išskaičiuotų“ GRB buvo GRB970508 (1997 m. gegužės 8 d.). Jo likutinio spinduliavimo radijo stebėjimai davė svarbų „kabliuką“. Jis blaškėsi pirmas tris savaites, o po to stabilizavosi ir išnyko. Didelė svyravimų amplitudė greičiausiai nėra susijusi su pačiu jų šaltiniu, o atsirado dėl sklidimo erdve sąveikaujant su tarpžvaigždine plazma. Iš to, kad GRB970508 skleidė radijo bangas, o vėliau liovėsi, jis turėjo išsiplėsti iš taško iki „geroko“ dydžio, t.y. kelių šviesos savaičių skersmens - ir tai turėjo vykti artimu šviesai greičiu.

1995 m. sausio mėn. GRB pademonstravo neįtikėtiną galią. Šis šaltinis turėjo būti 10⁴⁵ vatų galingumo, t.y. jo ryškumas turėjo būti 10¹⁹ kartų didesnis nei mūsų Saulės. Ir nors kiti žinomi kosmoso kataklizmai, tokie kaip supernovos, išspinduliuoja panašų kiekį energijos, didžiąją jos dalį sudaro neutrinai, ir tas spinduliavimas silpsta tolydžiau. Tad supernovos ryškumas tėra maža dalelytė GRB ryškumo. Netgi kvazarai tėra 10⁴⁰ vatų stiprumo.

Tačiau, jei energija būtų skleidžiama tik tam tikromis kryptimis, ryškumas būtų gerokai mažesnis. Kryptingo spinduliavimo galimybę rodo GRB990123 stebėjimai. Po dviejų dienų likutinio spinduliavimo silpnėjimas nepaprastai pagreitėjo.

Vienas įdomių atradimų leido sieti GRB su supernovomis. Kai nukreipė teleskopus link GRB989425, ten pasirodė esanti supernova SN1998-bw, sprogusi beveik tuo pačiu metu, kaip ir fiksuotas GRB. Atsitiktinio sutapimo tikimybė tėra tik 1 iš 10 tūkst. Tą galimą ryšį sustiprina ir geležies atradimas x-spindulių spektre (laikoma, kad geležies atomai gali susidaryti ir būti išsviesti į tarpžvaigždinę erdvę tik supernovų sprogimų metu). NASA Chandra X-ray observatorija nustatė geležies linijas GRB991216 spektre. Kiti stebėjimai dar labiau padidino to ryšio galimybę. Tad spėjama, kad tas pats objektas gali sukelti skirtingus reiškinius. Kadangi GRB gerokai retesnis (keli į dieną prieš šimtus tūkstančių supernovų), tai ne kiekviena supernova sukelia GRB. Taipogi nematysime visų GRB, jei jie skleidžiami tik siauru kampu (čiurkšlėmis).

GRB neįtikėtinas ryškumas yra mįslė. Spėjama, kad 10¹⁹ Saulių ryškumą skleidžia vienos Saulės dydžio objektas. Tačiau tada fotonai yra taip tankiai susigrūdę, kad trukdo vienas kitam išlėkti. Tačiau, jei jie negali ištrūkti, kaip galime matyti GRB? Šio galvosūkio sprendimas gali būti tas, kad fotonai palieka kūną ne iš karto. Po sprogimo „lukštas“ iš el. dalelių (kartu su fotonais) plečiasi artimu šviesai greičiu. Tokiam ugnies kamuoliui išsiplėtus iki 10-100 mlrd. km, fotonų tankis krenta iki tokio lygio, kad gama spinduliai gali ištrūkti. Vėliau kamuolys dalį savo kinetinės energijos paverčia elektromagnetiniu spinduliavimu, sekančiu GRB.

Pirminis x-spinduliavimas greičiausiai atsiranda dėl vidinių smūgio bangų, susidarančių kai greitesni gabalai paveja ir atsitrenkia į lėtesnius. Kadangi rutulys plečiasi beveik šviesos greičiu, šalia esančiam stebėtojui įvykiai laike yra labai kondensuoti – pagal reliatyvumo principus. Tai kas iš tikro vyko kelias dienas, stebėtojui atrodo tik kaip kelios sekundės. Kitos smūgio bangos susidaro, kai rutulio plėtimasis pradeda lėtėti – tai „likutinio spinduliavimo“ šaltinis.

Tyrinėtojai dar nesutaria, kas sukelia GRB sprogimą. Vieni modeliai (hipernovų ar kolapserių) laiko, kad jie susiję su žvaigždėmis, kurių masė 20-30 kartų didesnė už mūsų Saulės. Modeliavimas parodė, kad tokių žvaigždžių branduoliai gali sprogti sudarydami greitai besisukančią juodąją skylę, kurią supa likusios materijos diskas. Šio modelio naudai kalba tai, kad GRB randami ten, kur tikėtiniausia vieta hipernovoms susidaryti – galaktikų seniausių žvaigždžių dariniuose.

Kituose modeliuose veikia dvinarės tankių žvaigždžių (pvz., dviejų neutroninių arba neutroninės ir juodosios skylės) sistemos. Abu tokie kūnai juda spirale ir tada susilieja. Ir šiuo atveju susidaro juodoji skylė, kurią supa diskas. Pagal šį modelį GRB šaltiniai turėtų būti gerokai senesni ir turėtų būti pasiskirstę visoje galaktikoje ir nestebimi seniausių žvaigždžių susidarymo regionuose. Tačiau šis modelis gali būti raktas trumpalaikių GRB paaiškinimui.

Vienas išsiskiriantis klausimas yra dėl tamsiųjų arba „vaiduokliškų“ GRB. Tik apie 50% lokalizuotų GRB stebėti matomame spektre. Kodėl kiti neskleidžia šviesos? Vienas galimų paaiškinimų yra tas, kad tie GRB yra žvaigždžių susidarymo srityse, kuriose gausu dulkių – ir šis aiškinimas šiuo metu yra populiariausias. Kitas – kad tie GRB yra pernelyg toli ir jų skleistą šviesą visiškai absorbavo tarpgalaktinės dujos. Trečiasis – kad jų skleidžiama šviesa yra per silpna. Manoma, kad ypač jautri aparatūra identifikavo bent dvi tamsiųjų GRB galaktikas, nesančias ypatingai toli.

Kitą paslaptį sudaro GRB su didele x-spindulių doze, x-pliūpsniai, kuriuos atrado BeppoSAX. Jie sudaro 20-30% visų GRB. Tarp jų yra ir tokių, kurie visai neturi gama-spindulių. Vienas galimų paaiškinimų, kad ugnies kamuolys buvo „purvinas“, nes jame buvo nemažai tokių elementų kaip protonai, - ir todėl toks rutulys buvo labiau inertiškas ir plėtėsi lėčiau. Kitas aiškinimas, kad jie ateina iš ypatingai tolimų šaltinių, galbūt, net tolimesnių, nei „vaiduokliškieji“ GRB. Dėl Visatos plėtimosi gama spektras galėjo pasislinkti į x-spindulių pusę, o tarpgalaktinės dujos užblokuoti bet kokį „liekamąjį“ regimo spektro spinduliavimą.

2022 m. spalio 9 d. aukštų energijų gama spindulių pluoštas GRB 221009A, trukęs net 300 sek., trenkė į Žemę. Astronomai greitai nustatė atstumą iki jo šaltinio, esančiu Strėlės žvaigždyne, pasirodžiusio esančiu artimiausiu iš kada nors stebėtų – vos už 1,9 mlrd. švm. Po jo švytėjimas dar tebetruko per 10 d. Tačiau net iš tokio milžiniško atstumo tai buvo įspūdingas reiškinys, pakankamai stiprus, kad mėgėjai galėjo jį stebėti per nedidelius teleskopus. Nuo 7-ojo dešimtm. GRB užregistruota jau per 1700 - ir jau turime neblogą įsivaizdavimą apie jų prigimtį. Trumpalaikiai, vos kelių sekundžių trukmės, kyla susidūrus dviem supertankioms neutroninėms žvaigždėms. Tuo tarpu ilgalaikiai, kelių minučių trukmės, susidaro sprogstant masyvioms žvaigždėms jų gyvenimo pabaigoje; jų branduolys susispaudžia sudarydamas juodąją skylę, o aplink iš nesusiurbtos medžiagos susidaro akrecinis diskas, išsiunčiantis du spindulius. Jie praduria sau kelią per mirštančią žvaigždę ištrūkdami į išorę, o likusi žvaigždės dalis sprogsta kaip supernova. Gama žybsnio (GRB) energija beveik neįsivaizduojama – per kelias sekundes gali išspinduliuoti tiek, kiek Saulė per visą savo 12 mlrd. gyvenimą. Jų galia susidaro dėl siauro pluošto – ir jei jisai yra į mūsų pusę, tai pamatome gama pliūpsnį, o jei jis praeina šalia, tai regime įprastą supernovą.

Pirmą žybsnį, kuris buvo gana ilgalaikis, besitęsęs per 10 val. užregistravo „Fermi“ palydovo davikliai, dar vieną žybsnį užregistravo N.G. Svifto orbitinė observatorija, kuris buvo praėjus beveik valandai, t.y. gerokai vėliau, spalio 9 d. gerokai vėliau, nei įprasta – kas rodo kokia buvo žybsnio galia (18-251 TeV). Blėstantis spindėjimas regimos šviesos diapazone, sukeltas spindulių susidūrimo su materija, parodė atstumą, nustatytą pagal raudonąjį poslinkį. Jo ypatybė ta, kad labai siauras jo pluoštas buvo nukreiptas tiesiai į Žemę. Išlaisvinta energija, prilygstanti 10 tūkst. Saulių paskleistai energijai per visą jų gyvavimo laikotarpį. Jei toks įvykis nutiktų mūsiškiame Paukščių take ir spindulys būtų „iššautas“ į Žemę, pasekmės būtų katastrofiškos.
Spėjama, kad šiuo atveju regimą ir rentgeninį spinduliavimus skleidė viena čiurkšlės dalis, o milimetrinį ir radijo bangų – kita. GRB 221009A dar tebestebi viso pasaulio teleskopai – ir jis gali tapti raktu į tokių neįtikėtinų įvykių paaiškinimą.

Visata nuolat tvinksi nuo supernovų – brutalių žvaigždžių mirčių. Jos sprogsta maždaug kas sekundę, paprastai neįsivaizduojamai nutolusiose galaktikose, blykstelėdamos kaip šimtai milijardų saulių, ir kurių sukeltas ugnies kamuolys plečiasi ir vėsta ištisus mėnesius. Tad gerai, kad jos retos arti mūsų namų: paskutinė supernova mūsų galaktikoje sprogo 1604 m. ir ryškumu varžėsi su Jupiteriu ir padarė didelį įspūdį J. Kepleriui. Tačiau supernovų palikimas tiesiog mumyse – tai ir anglis mūsų kūnuose, silicis uolienose, geležis mūsų kraujyje ir įrengimuose, deguonis ore. Visa tai sintezavosi gilioje senovėje, prieš milijardus metų, tokių sprogimų metu ir vėliau pasklido po Visatą.

Tai kaip nutinka, kad taikiai milijonus metų švietę žvaigždės staiga taip drastiškai miršta. Mokslininkai turi du informacijos šaltinius apie tai. Pirmasis yra nepaprastai galingi aukštos energijos gama spindulių pluoštai, atskriejantys iš tolimų dangaus kampelių. Dešimtmečius astronomai spėliojo apie jų kilmę, kol kosmoso zondai patvirtino tai, kas buvo spėjama: gama spindulių pluoštai yra ankstyvi perspėjimo signalai iš supernovų, išspinduliuojami kelios minutės prieš pat sprogimą.

O žvelgdami ne į dangų, o į kompiuterinius supernovų modelius, kai kurie teoretikai mano, kad rado tą gaiduką, sukeliantį sprogimą. Trūkstamas elementas galėtų būti nepaprastai galingas aidas - žvaigždės giedamos gulbės giesmės garsas.

2004 m. pakilęs palydovas "Swift⁴⁾" skenuoja dangų gama spektre. Kai jis aptinka pluoštą, jis nukreipia į jų šaltinį, kad pastebėtų likutinį raudonį – šviesos šaltinį, žymintį vietą, iš kur atsklido pluoštas. Jis taip pat siunčia perspėjimą astronomams Žemėje, kad šie galėtų pažvelgti ten su galingesniais teleskopais.

2006 m. vasario 18 d. "Swift" užregistravo spinduliavimo šaltinį Avino žvaigždyno kryptimi. Per 3 min. palydovas nustatė šaltinio koordinates ir pranešė observatorijoms. Po 2 d. Arizonoje esančiu teleskopu buvo nustatyta, kad spinduliavimas sklinda iš mažos netolimos galaktikos. Tai leido stebėti objektą ir matomo, ir infraraudonų spindulių spektruose. Po 3 d. tasai raudonis išblėso.

Čilės šiaurėje esančiu VLT astronomai sekė tą blėsimą ir tada pastebėjo paryškėjimą. Žvaigždė sprogo maždaug po minutės, kai atsklido pluoštas, tačiau didžioji jos energija buvo nematomame ultravioletiniame ir rentgeno spindulių spektre. Matoma šviesa ryškėjo pamažu ir galiausiai tebuvo likęs likutinis raudonis. Pirmąkart astronomai stebėjo supernovą nuo pat pradžių.

Praėjus 18 d., astronomai tebestebėjo ją. Pietų Kalifornijos Palomaro kalnuose prie Hale teleskopo (su 508 cm veidrodžiu) Avishay Gal-Yam¹⁾ turėjo 2 val. iki supernovai nusileidžiant per žemai, kad būtų galima stebėti. Vis dar ryški kaip milijardas saulių, supernova nustelbė visas savo galaktikos žvaigždes, skleisdama baltai rausvą šviesą dėl paskleistų radioaktyvaus nestabilių nikelio atomų skilimo. Išskaidytas spektras rodė esant įvairius elementus: silicį, kobaltą, kalcį, geležį ir kt.

S. Woosley²⁾ su kolegomis modeliuoja supernovų sprogimus kompiuteryje. Jie pradėjo nuo žvaigždės, maždaug 40 kartų masyvesne už Saulę, besisukančią Supernova Jet

taip smarkiai (keli šimtai mylių per sekundę greičiu ties pusiauju), kad vos laikosi nenusimetusi išorinių sluoksnių. Prieš gyvenimo pabaigą, nesugebėdamas pasipriešinti nuosavai traukos jėgai, žvaigždės branduolys sukrenta sukurdamas juodąją skylę. Tačiau dėl didelio žvaigždės sukimosi greičio, dalis sukrentančios materijos priešinasi naujai susiformavusios juodosios skylės traukai. Iš juos apie juodąją skylę susiformuoja disko formos sūkurys. Trintis įkaitina diską iki 22 mlrd. laipsnių, kol pilasi nauja materija. Į išorę veržiasi iki beprotiško karščio įkaitintų dujų čiurkšlės. Jos žvaigždės paviršių pasiekia iki 10 sek. Jei žvaigždė išsaugojo savo pradinį vandenilio dujų "baką", čiurkšlė sustingsta ir gali "šnypšti" skleisdama gama spindulių pluoštą. Tačiau jei galingi masyvių žvaigždžių vėjai nupūtė vandenilį, čiurkšlės ištrūksta į erdvę, skrosdamos ją beveik 99% šviesos greičiu.

Tada įvyksta sprogimas. Dideliu greičiu lekiančių čiurkšlių susidūrimai sukelia nepaprastai greitų elektronų kaskadas. Elektronai sukasi aplink čiurkšlių magnetinius laukus svaidydami į šalis gama spindulius. Po daugelio dienų, čiurkšlei išsisklaidžius į ploną dujų sluoksnį tarp žvaigždžių, ji ima generuoti matomų, infraraudonųjų ir radijo bangų spektrų bangas. 2006 m. sprogimas buvo blankesnis, matyt, todėl, kad žvaigždė nebuvo pakankamai masyvi, kas susidarytų juodoji skylė. Nors S. Woosley mano, kad panašūs procesai vyksta ir tada, kai supernovos centre lieka greitai besisukanti neutroninė žvaigždė (o ne juodoji skylė).

Tačiau daugelyje sprogstančių žvaigždžių Žemės dydžio branduolys susispaudžia iki miesto dydžio neutroninę žvaigždę, kurios temperatūra pakyla iki 55 mlrd. Laipsnių. Tai maksimalaus susispaudimo taškas. Suspaustas branduolys atšoka kaip suspausta spurga, sukeldamas smūgio bangą, kuri ritasi lauk sprausdamasi pro į vis tebesiliejančią iš viršaus materiją.

Kadaise astronomai manė, kad ši smūgio banga gali būti pakankama, kad suplėšytų žvaigždę ir sukeltų sprogimą. Pasirodo, kad tai nėra taip paprasta. Mokslininkai ištobulino kompiuterinį modelį ir nustatė, kad mažiau nei po tūkstančio sekundžių po smūgio bangos iš žvaigždės centro išsiveržė neutrinų, smulkių, beveik neturinčių masės el. dalelių, srautas. Neutrinai, gimę mirštančios žvaigždės širdyje, paėmė smūgio bangos energiją. Smūgio banga "įklimpo, ir supernova tapo tarsi „užtaisyta“.

Turbulencinės sukrentančios dujos pradeda purtyti branduolį, priversdamas jį pulsuoti. Krisdamos iš išorinių sluoksnių, dujos apsiveja aplink branduolį, šokdamos jo paviršiumi ir prasiskverbdamos į vidų. Branduolys sužadinamas. Apie 0,8 sek. osciliacijos tampa tokios intensyvios, kas paskleidžia garso bangas, kurios padidina slėgimą priversdamos išsviesti materiją ir sustiprindamos smūgio bangą. Taip pat didina branduolio vibraciją tol, kol žvaigždė galiausiai sprogsta.

Jei kas būtų pakankamai drąsus, kad prisiartintų, tai galėtų išgirsti garso bangas, maždaug Fa natą virš vidurinio C.

Iš tikro, garso bangos gali būti negalutinis taškas. Tačiau Burrows modelis linkęs rodyti tendenciją apie „kreivą“ sprogimą, kai žvaigždės sprogsta asimetriškai, labiau išlėkdamos į vieną pusę nei kitą. Tai galiojo 1987A supernovai, artimiausiai ir ryškiausiai supernovai nuo pat 1604 m. Astronomai taip pat nustatė, kad keletas neutroninių žvaigždžių, likusių po supernovų, skrieja apie 800 km/s greičiu, tarsi būtų nežmoniškai stipriai pastumtos viena kryptimi.

Garso bangų įrodymą galėtų duoti gravitacijos bangų (erdvėlaikio ratilų) paieškos Hanforde ir Livingstone. Einšteino bendrosios gravitacijos teorijos numatytos gravitacijos bangos dar niekada nebuvo tiesiogiai stebimos, tačiau jos gali būti sukeliamos milžiniškų masių sukrėtimų ir sukimosi metu. Ir jei garso bangos tikrai būną sprogstančios žvaigždės viduje, jos gali vibruoti tik tam tikrais dažniais, sukeldamos atitinkamas gravitacijos bangas. Tikimasi, kad davikliai galėtų jas užfiksuoti po supernovų sprogimų artimose galaktikose.