Σύντηξη στο Διάστημα: εκλάμψεις ακτινών γ Understand article

Μετάφραση: Θοδωρής Πιερράτος (Theodoros Pierratos). Ο Henri Boffin από το ESO στο Garching της Γερμανίας, ξετυλίγει το μυστήριο των εκλάμψεων ακτινών γ από την ανακάλυψή τους μέχρι τις…

Το όργανο GROND στο
Αστεροσκοπείο La Silla του ESO
χρησιμοποιείται για τη μελέτη
των εκλάμψεων ακτινών γάμμα

Χορηγία εικόνας από ESO

Όλα ξεκίνησαν όπως ακριβώς και σε μια ταινία του James Bond. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, στο μέσο του ψυχρού πολέμου, οι Ηνωμένες Πολιτείες εκτόξευσαν μερικούς δορυφόρους ευαίσθητους στην ακτινοβολία γάμμα με σκοπό να επιβεβαιώνουν αν η Σοβιετική Ένωση τηρούσε τη συμφωνία περιορισμού των πυρηνικών δοκιμών στην ατμόσφαιρα, τη θάλασσα και το διάστημα. Καμία έκρηξη δεν ανιχνεύθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης. Αντίθετα, εντοπίστηκαν μυστηριώδεις εκλάμψεις ακτινών γάμμα οι οποίες φαίνονταν να προέρχονται από το διάστημα, λες και, όπως γράφτηκε, εξωγήινοι να πραγματοποιούν μαζικό διαγαλαξιακό πόλεμο!

Επειδή οι λίγοι επιστήμονες που είχαν πρόσβαση στα (στρατιωτικά) δεδομένα ήθελαν να ελέγξουν όλες τις λεπτομέρειες, πέρασαν έξι χρόνια από την πρώτη ανίχνευση μέχρι η ανακάλυψη αυτών των αινιγματικών εκρήξεων να ανακοινωθεί στην επιστημονική κοινότητα, το 1973.

Κλεφτοφάναρο ή φάρος;

Οι επιστήμονες όχι μόνο δεν ήξεραν που συνέβαιναν αυτές οι εκρήξεις αλλά ούτε πόσο μακριά. Συνέβαιναν κάπου στη γειτονιά μας – στο Ηλιακό Σύστημα ή στο Γαλαξία μας- ή κάπου πολύ πιο μακριά; Χωρίς να γνωρίζουν την απόσταση ήταν αδύνατο να προσδιορίσουν την ισχύ αυτών των συμβάντων: ήταν απλά αναλαμπές πάνω στην επιφάνεια κομητών, κομήτες που έπεφταν πάνω σε συμπαγή άστρα, ή γιγάντιες εκρήξεις που προκαλούσαν τις γνώσεις μας; Η κατάσταση έμοιαζε με αυτήν όπου ένα άτομο περπατώντας μέσα στη νύκτα βλέπει ένα φως μακριά του: είναι το φανάρι κάποιου που διασχίζει το δρόμο, τα φώτα ενός μακρινού αυτοκινήτου ή το γαλήνιο σήμα από έναν απομακρυσμένο φάρο;

Οι αστρονόμοι άφησαν τη φαντασία τους να οργιάσει. Πάρα πολύ γρήγορα διατυπώθηκαν σχεδόν εκατό θεωρίες για να ερμηνεύσουν το νέο φαινόμενο – περισσότερες από τον αριθμό των παρατηρηθέντων γεγονότων! Όπως συμβαίνει συνήθως, πραγματοποιήθηκε πρόοδος με την έλευση νέων τεχνολογιών, ειδικά με την εκτόξευση επιστημονικών δορυφόρων αφιερωμένων στην έρευνα μέσω ακτινών γάμμα.

Το όργανο BATSE που βρισκόταν στο Παρατηρητήριο Ακτινών Γάμμα μέσω σκέδασης Compton, της ΝΑΣΑ, αποκάλυψε ότι σε μια συνηθισμένη ημέρα συμβαίνουν δυο με τρείς εκλάμψεις ακτινών γάμμα κάπου στο Σύμπαν. Το BATSE έδειξε επίσης ότι οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα εμφανίζονται από όλες τις διευθύνσεις. Αυτή η παρατήρηση ερχόταν σε αντίθεση με την ιδέα ότι δημιουργούνταν μόνο μέσα στο Γαλαξία μας, επειδή σε αυτή την περίπτωση θα εμφάνιζαν την τυπική πεπλατυσμένη κατανομή των αμυδρών αστέρων. Κι αυτό επειδή ο Γαλαξίας μας είναι ένας ιδιαίτερα πεπλατυσμένος δίσκος άστρων, όπως φαίνεται και από την εμφάνιση του ίδιου του Γαλαξία – μια ζώνη άστρων που διασχίζει όλον τον νυκτερινό ουρανό.

Μολονότι οι παρατηρήσεις αυτές ήταν κρίσιμες, η διαμάχη ανάμεσα στους αστρονόμους στα τέλη της δεκαετίας του 1980 δεν καταλάγιασε, με αποτέλεσμα οι αστρονόμοι να είναι χωρισμένοι σε δύο αντίπαλα στρατόπεδα: το πρώτο πίστευε ότι οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα οφείλονταν σε «τοπικά συμβάντα», όπως κομήτες που πέφτουν σε αστέρες νετρονίων, και βρίσκονταν σε μια άλω που περιβάλλει το Γαλαξία μας. Το άλλο στρατόπεδο απέρριπτε αυτή την υπόθεση και ισχυριζόταν ότι οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα συνδέονται με δραματικά φαινόμενα, όπως ο θάνατος άστρων και η γέννηση μαύρων τρυπών, και συμβαίνουν σε όλο το Σύμπαν.

Η αντιπαράθεση διήρκεσε μέχρις ότου ο Ιταλο-Γερμανικός δορυφόρος BeppoSAXw2, ο οποίος εκτοξεύτηκε το 1996, χρησιμοποίησε συνδυασμό από κάμερες ακτινών Χ και ανιχνευτές ακτινών γάμμα για να δείξει ότι οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα συμβαίνουν σε πολύ μακρινούς γαλαξίες. Από τότε, η πιο απομακρυσμένη έκλαμψη ακτινών γάμμα εντοπίστηκε σε απόσταση μεγαλύτερη από 12,8 έτη φωτός, που σημαίνει ότι την παρατηρούμε στην κατάσταση που ήταν όταν το Σύμπαν ήταν μικρότερο από 900 εκατομμύρια ετώw3.

Τα πιο ενεργητικά φαινόμενα μετά την Μεγάλη Έκρηξη

Προκειμένου οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα να είναι ορατές από τη Γη, πρέπει να απελευθερώνουν τρομερά ποσά ενέργειας. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας έκλαμψης ακτινών γάμμα μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα θεωρείται ότι είναι μεγαλύτερη από αυτή που ελευθερώνει ο Ήλιος σε όλη του τη ζωή (περίπου 10000 εκατομμύρια χρόνια). Με άλλα λόγια, αυτά τα γεγονότα είναι τόσο λαμπερά που, για μια στιγμή, σχεδόν συναγωνίζονται σε φωτεινότητα ολόκληρο το Σύμπαν! Ωστόσο, διαρκούν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, από λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο μέχρι μερικά λεπτά.

Πέρα από τη Μεγάλη Έκρηξη, οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα είναι με διαφορά τα πιο ενεργητικά φαινόμενα που γνωρίζουμε στο Σύμπαν. Οι αστρονόμοι έχουν επίσης διαπιστώσει ότι διαταράσσουν μια πολύ μεγάλη περιοχή γύρω τους – σε μια περίπτωση περίπου 5500 έτη φωτός, απόσταση μεγαλύτερη από το ένα πέμπτο της απόστασης του Ήλιου από το κέντρο του Γαλαξία μας. Όλη η ύλη σε αυτή την περιοχή του διαστήματος ιονίζεται: δηλαδή τα άτομα χάνουν τα περισσότερα, αν όχι όλα τους, τα ηλεκτρόνια. Αν υπάρχει οποιαδήποτε μορφή ζωής σε αυτή την περιοχή του Σύμπαντος, το πιο πιθανό θα εξαλειφθεί. Στην πραγματικότητα, μερικοί επιστήμονες ισχυρίζονται ότι η μαζική εξαφάνιση ειδών κατά την Ορδοβίσια – Σιλούρια περίοδο, η οποία συνέβει πριν από περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια, και κατά την οποία περίπου το 70% των ειδών στη Γη εξαφανίστηκε, προκλήθηκε από κάποια κοντινή έκλαμψη ακτινών γάμμα.

Οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα είναι τόσο εκπληκτικά φαινόμενα που σπέρνουν τον όλεθρο στους γαλαξίες τους και ελευθερώνουν εξαιρετικά μεγάλα ποσά ενέργειας. Η ερώτηση φυσικά είναι τι είδους μηχανισμός μπορεί να προκαλέσει τέτοια γεγονότα. Ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας είναι ένα πολύ ενεργητικό φαινόμενο, έτσι οι αστρονόμοι αρχίζουν να ερευνούν πώς αυτά τα δυο – οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα και οι μαύρες τρύπες- μπορούν να συνδέονται.

Αν και οι λεπτομέρειες είναι κάθε άλλο παρά ξεκάθαρες, οι επιστήμονες πιστεύουν τώρα ότι το καλύτερο μοντέλο για να εξηγήσει τις εκλάμψεις ακτινών γάμμα είναι η «πύρινη σφαίρα». Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, κατά τη διάρκεια σχηματισμού μιας μαύρης τρύπας, η ενέργεια που απελευθερώνεται από την έκρηξη γίνεται κινητική ενέργεια ενός κελύφους σωματιδίων – μια πύρινη σφαίρα- η οποία διαστέλλεται με ταχύτητα κοντινή στην ταχύτητα του φωτός. Αρχικά, η πυκνότητα της εκρηγνυόμενης ύλης είναι τόσο υψηλή που ακόμη και σωματίδια όπως τα φωτόνια και τα νετρίνα δεν μπορούν να δραπετεύσουν. Καθώς η πύρινη σφαίρα διαστέλλεται αποκτώντας διάμετρο 10-100 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα, η πυκνότητα των φωτονίων πέφτει αρκετά ώστε οι ακτίνες γάμμα να διαφεύγουν ανεμπόδιστα: μέρος της κινητικής ενέργειας της πύρινης σφαίρας μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, προκαλώντας την έκλαμψη ακτινών γάμμα.

Μεγάλης και μικρής διάρκειας

Πληθώρα παρατηρήσεων εκλάμψεων ακτινών γάμμα έχει αποκαλύψει ότι υπάρχουν δύο τύποι: μεγάλης διάρκειας (διαρκούν περισσότερο από δύο δευτερόλεπτα) και μικρής διάρκειας (διαρκούν από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου μέχρι δυο δευτερόλεπτα). Η μεταξύ τους διαφορά δεν είναι μόνο η διάρκεια: οι μικρής διάρκειας εκλάμψεις περιέχουν επίσης υψηλής ενέργειας φωτόνια σε σχέση με τις μεγάλης διάρκειας. Προφανώς, αν και οι δύο τύποι εκλάμψεων ακτινών γάμμα σχετίζονται με τις μαύρες τρύπες, ο ακριβής φυσικός μηχανισμός των δυο τύπων πρέπει να είναι διαφορετικός.

Τα τελευταία χρόνια, μια μεγάλη διεθνής προσπάθεια έχει δείξει με πειστικό τρόπο ότι οι μεγάλης διάρκειας εκλάμψεις ακτινών γάμμα συνδέονται με την τελική έκρηξη ενός πολύ μαζικού άστρου (υπερκαινοφανής), με αρχική μάζα μεγαλύτερη από 30-40 φορές τη μάζα του Ήλιου, καθώς καταρρέει σε μαύρη τρύπα. Σημαντικά στοιχεία αποκτήθηκαν με τη βοήθεια των τηλεσκοπίων του ESO το 2003w4. Χρησιμοποιώντας το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιοw5, του ESO, οι αστρονόμοι απέκτησαν, μέσα σε έναν μήνα, φάσμα μιας έκλαμψης ακτινών γάμμα με φθίνουσα λαμπρότητα. Αυτό τους επέτρεψε να παρατηρήσουν τη σταδιακή εμφάνιση ενός φάσματος υπερκαινοφανούς τύπου, που αποκάλυψε την εξαιρετικά βίαιη έκρηξη ενός άστρου.

Παρατηρήσεις μιας μικρής διάρκειας έκλαμψης ακτινών γάμμα σε έναν πολύ μακρινό γαλαξία, από το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO. Η εικόνα στα δεξιά πάρθηκε στις 24 Ιουλίου 2005, 12 ώρες μετά την έκαλμψη ακτινών γάμμα, και δείχνει τη θέση της έκλαμψης ακτινών γάμμα GRB 050724 όπως μετρήθηκε από το Τηλεσκόπιο Ακτινών Χ Swift, και τον δορυφόρο ακτινών Χ Chandra. Ο μπλε σταυρός είναι η θέση του φωτός που απομένει, στο οπτικό μέρος του φάσματος. Μια άλλη εικόνα πάρθηκε στα 29 Ιουλίου 2005 και η μια εικόνα αφαιρέθηκε από την άλλη, δίνοντας την εικόνα στα αριστερά. Αυτή αποκαλύπτει το φως που απομένει, το οποίο υποδεικνύει την παρουσία μια έκλαμψης ακτινών γάμμα
Χορηγία εικόνας από ESO

Αρκετά ακόμη γεγονότα επέτρεψαν στους αστρονόμους να συσχετίσουν τις μεγάλης διάρκειας εκλάμψεις ακτινών γάμμα με τους υπερκαινοφανείς. Ένα τέτοιο γεγονός συνέβει στις 11 Δεκεμβρίου 2001 και παρατηρήθηκε από το δορυφόρο ESA XMM-Newtonw6 της ESA, μόλις έντεκα ώρες μετά την ανίχνευση της έκλαμψης. Εκείνη τη στιγμή το αντικείμενο εξέπεμπε επτά εκατομμύρια φορές περισσότερη ακτινοβολία Χ από έναν συνηθισμένο γαλαξία! Αυτό επέτρεψε στον XMM να καταγράψει με λεπτομέρεια το φάσμα της έκλαμψης, επιτρέποντας στους αστρονόμους να εντοπίσουν την υπογραφή αρκετών στοιχείων, όπως μαγνήσιο, πυρίτιο και νικέλιο, που συνήθως εκτινάσσονται από ένα εκρηγνυόμενο άστρο (για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το σχηματισμό βαρέων μετάλλων, δείτε στο Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). Οι αστρονόμοι ανίχνευαν ύλη που είχε μόλις εκτιναχθεί από έναν υπερκαινοφανή.

Άστρα που συγχωνεύονται

Καμπύλη φωτός μιας έκλαμψης
ακτινών γάμμα στις 7 Ιουνίου
2006, GRB060607A. Οι κόκκινες
τελείες είναι τα δεδομένα που
προέκυψαν από το Αστεροσκοπείο
La Silla του ESΟ, παρατηρώντας το
φως που απομένει (στο κοντινό
υπέρυθρο) της έκλαμψης. Η μπλε
γραμμή, η οποία προσαρμόστηκε
στα δεδομένα, επιτρέπει στους
αστρονόμους να προσδιορίσουν
την κορυφή της καμπύλης φωτός
και έτσι να υπολογίσουν την
ταχύτητα της ύλης. Βρέθηκε ότι η
ύλη κινείται με ταχύτητα κοντά στην
ταχύτητα του φωτός. Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνσn

Χορηγία εικόνας από ESO

Τι ισχύει για τις μικρής διάρκειας εκλάμψεις ακτινών γάμμα; Μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν να ανιχνεύσουν το φως που απομένει από μια έκλαμψη. Επομένως δεν ήταν δυνατό να προσδιορίσουν με ακρίβεια τη θέση τους και άρα να συνάγουν το περιβάλλον μέσα στο οποίο σχηματίστηκαν, ή να τις χαρακτηρίσουν από την καμπύλη φωτός τους (μεταβολές της λαμπρότητας με το χρόνο) ή το φάσμα τους.

Τα πράγματα άλλαξαν στις 9 Μαΐου 2005 όταν ο δορυφόρος Swiftw7 των NASA/ASI/PPARC ανίχνευσε μια έκλαμψη ακτινών γάμμα διάρκειας 40 ms και προσδιόρισε τη θέση της με αρκετή ακρίβεια ώστε να επιτρέψει στους αστρονόμους να κατευθύνουν το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO προς τα εκεί και να πάρει εικόνες. Η έκλαμψη, που ονομάστηκε GRB 050509B, εντοπίστηκε σε ένα φωτεινό ελλειπτικό γαλαξία στον οποίο δεν σχηματίζονται άστρα, σε απόσταση 2700 εκατομμύρια έτη φωτός.

Το γεγονός αυτό κάνει δύσκολη την επίκληση του μοντέλου του υπερκαινοφανούς, επειδή οι υπερκαινοφανείς λόγω κατάρρευσης πυρήνα είναι σπάνιοι σε αυτό το είδος γαλαξία, που δεν παράγει πλέον άστρα και άρα γενικά στερείται από μαζικά άστρα που ζουν λίγο και καταρρέουν σε υπερκαινοφανείς. Από την άλλη, φωτεινοί ελλειπτικοί γαλαξίες στους οποίους δεν σχηματίζονται άστρα, φιλοξενούν πολλά ισχυρά συνδεδεμένα διπλά συστήματα (δύο άστρα που περιστρέφονται κοντά το ένα γύρω από το άλλο) συμπαγών άστρων. Αυτό το γεγονός υποστηρίζει το άλλο επικρατών μοντέλο, στο οποίο οι εκλάμψεις ακτινών γάμμα συμβαίνουν όταν δυο αστέρες νετρονίων ενός διπλού συστήματος συγχωνεύονται για να δημιουργήσουν μια μαύρη τρύπα. Για να είναι σίγουροι ότι το μοντέλο του υπερκαινοφανούς δεν μπορούσε να εφαρμοστεί, οι αστρονόμοι παρατήρησαν την έκλαμψη για ακόμη τρεις εβδομάδες, μέχρι να πειστούν ότι δεν θα μπορούσε ναα ανιχνευτεί ακόμη και ο πιο αμυδρός υπερκαινοφανής. Κανένας όμως δεν βρέθηκε.Μερικούς μήνες αργότερα, οι αστρονόμοι ανίχνευσαν, για πρώτη φορά, στο οπτικό μέρος του φάσματος το φως που απομένει από μια μικρής διάρκειας έκλαμψη ακτινών γάμμα. Εικόνες από το Αστεροσκοπείο La Silla του ESO στη Χιλή έδειξαν μια αμυδρή πηγή στις παρυφές ενός γαλαξία. Οι αστρονόμοι παρατήρησαν την έκλαμψη, η οποία ονομάστηκε GRB 050709, για 20 ημέρες αλλά δεν ανίχνευσαν οποιοδήποτε σήμα που να υποδεικνύει υπερκαινοφανή. Αυτό το γεγονός στήριξε ακόμη περισσότερο την υπόθεση ότι οι μικρής διάρκειας εκλάμψεις ακτινών γάμμα συμβαίνουν ως αποτέλεσμα όχι ενός υπερκαινοφανούς αλλά όταν δύο πολύ συμπαγή άστρα συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα.

Στο μοντέλο συγχώνευσης (βλέπε εικόνα), δυο μαζικά άστρα που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο καίνε τα καύσιμά τους σε περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια και καταρρέουν σε υψηλής πυκνότητας αστέρες νετρονίων με ακτίνα περίπου 10-20 χιλιόμετρα. Για επιπλέον 100 εκατομμύρια με μερικά δισεκατομμύρια χρόνια τα δυο αντικείμενα συνεχίζουν να χάνουν ενέργεια, με αποτέλεσμα η τροχιά τους να συρρικνώνεται. Κατά συνέπεια συγκρούονται και παράγουν μια μικρής διάρκειας έκλαμψη ακτινών γάμμα. Η θεωρία επίσης δουλεύει αν ένα από τα άστρα μετατραπεί σε μαύρη τρύπα αντί για αστέρα νετρονίων, που στο τέλος καταβροχθίζει τον αστέρα νετρονίων που τη συνοδεύει.

40 χρόνια μετά την ανακάλυψη των εκλάμψεων ακτινών γάμμα, ξέρουμε πλέον ότι εμφανίζονται παντού μέσα στο Σύμπαν, από τις πιο μακρινές παρυφές του μέχρι τους γειτονικούς γαλαξίες. Επίσης έχουμε μια ερμηνεία για τους δυο πιο συνηθισμένους τύπους εκλάμψεων που έχουν ανακαλυφθεί. Όμως η φύση είναι συχνά πιο περίπλοκη από ό,τι τείνουμε να πιστεύουμε: με την πρόοδο που συντελέστηκε στις τεχνικές παρατηρήσεων, οι αστρονόμοι συνεχίζουν να ανακαλύπτουν νέους τύπους εκλάμψεων ακτινών γάμμα, και η ιστορία απέχει πολύ από το να θεωρείται τελειωμένη

Το μοντέλο συγχώνευσης: οι μικρής διάρκειας εκλάμψεις ακτινών γάμμα θεωρείται ότι παράγονται όταν δυο πολύ συμπαγή αντικείμενα (αστέρες νετρονίων ή μαύρες τρύπες) συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα
Χορηγία εικόνας από ESO

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους υπερκαινοφανείς αστέρες, δείτε:
  • Székely P, Benedekfi Ö (2007) Η σύντηξη στο Διάστημα: όταν ένα γιγαντιαίο άστρο πεθαίνει… Science in School 6. www.scienceinschool.org/2007/issue6/fusion/greek
  • GCN: Δίκτυο Συντεταγμένων Εκλάμψεων Ακτίνων Γάμμα: http://gcn.gsfc.nasa.gov/

Institution

ESO

Review

Αυτό είναι ένα πολύ ενδιαφέρον άρθρο το οποίο εισάγει και συζητά ένα φαινόμενο που σχετίζεται με πελώρια ποσά ενέργειας: τις εκλάμψεις ακτινών γάμμα. Το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να διεγείρει μια συζήτηση σχετικά με την αρχή και τα μυστήρια του Σύμπαντος, καθώς επίσης και για τις επιστημονικές ανακαλύψεις και τις τεχνολογικές εξελίξεις στην έρευνα. Θα μπορούσε επίσης να ενθαρρύνει νεαρούς μαθητές να ενδιαφερθούν και να ασχοληθούν με την αστρονομία.


Alessandro Iscra, Ιταλία




License

CC-BY-NC-ND