Fuziune in Univers: explozii de raze gama Understand article

Tradus de Cristina Macris - Colegiul National ”Constantin Cantacuzino” – Targoviste, Romania. Henri Boffin de ESO in Garching, Germania, urmareste misterul exploziilor razelor gama de la prima lor descoperire pana la cele mai recente cercetari pe aceste explozii astronomice dramatice.

Instrumentul GROND la
Observatorul La Silla de la ESO
este dedicate studierii exploziilor
de raze gama

Pentru imagine, mulţumim ESO

Totul a incepu doar ca un film cu James Bond. In timpul anului 1960, in mijlocul Razboiului Rece, Statele Unite a lansat o serie de sateliti sensibili la radiatiile gama pentru a monitoriza Uninunea Sovietica in coformitate cu Tratatul de Teste Nucleare Ban, care a interzis testele nucleare in atmosfera, sub apa si in spatiu. Nu s-au detectat explozii in atmosfera Pamantului.

In schimb, s-au observat raze gama misterioase ca si cum ar fi venit din spatiu, de parca – asa cum s-a scris mai tarziu in presa de senzatie – extraterestii ar conduce un razboi intergalactic masiv!

Deoarece cativa oameni de stiinta care aveau acces la date (militare) au vrut sa verifice toate aceste detalii, pana in 1973, sase ani dupa prima lor detectie, descoperirea acestor explozii enigmatice a fost anuntata comunitatii stiintifice. Din pacate, detectoarele vechi de raze gama nu puteau localiza foarte precis sursa razelor gama in cer, ducand la o indelungata controversa in ceea ce priveste originea lor.

Lanterna sau far?

Oamenii de stiinta nu numai ca nu stiau de unde au fost, dar de asemenea nu puteau sa spuna cat de departe erau exploziile. Se petreceau in vecinatatea noastra – in Sistemul Solar sau in galaxia noastra – sau erau mult mai departe? De la distanta, fara sa se stie, nu era posibil sa se determine puterea acestor evenimente: erau numai “scantei” pe suprafata cometelor, comete care cad pe stele compacte, sau explozii gigantice pun la incercare cunoasterea nostra? Situatia nu era ca in cazul unei persoane care plimbandu-se noaptea vede o lumina la distanta: este lanterna de la cineva care traverseaza strada, farurile unei masini de departe, sau un semnal de la o casa luminata aflata la distanta?

Astronomii isi lasa imaginatia sa mearga mai departe. La un moment dat existau aprope o suta de teorii care explicau fenomenul cel nou- mai mult decat numarul de evenimente observat! Ca in cele mai multe cazuri, s-au obtinut rezultate atunci cand tehnologia a evoluat, in particular odata cu lansarea satelitilor stiintifici dedicati cercetarii razelor gama.

Instrumentul BATSE la bordul Observatorului Compton de Raze Gama de la NASA a aratat ca, intr-o zi obisnuita, doua sau trei explozii de raze gama au loc undeva in Univers. BATSE a aratat de asemenea ca exploziile de raze gama apar in toate directiile. Acest lucru pare sa contrazica ideea ca isi au originea numai in galaxia noastra Calea Lactee, deorece in acest caz ar fi trebuit sa aiba distributia tipica plata a stelelor slabite. Acest lucru se intampla deoarece galaxia noastra este un disc foarte aplatizat de stele, asa cum se vede din aparitia Caii Lactee insasi – o banda de stele care traverseaza noaptea tot cerul.

Cu toate ca sunt foarte importante, aceste observații nu constituiau intreaga baza de date la sfarsitul anilor 1980, astronomii erau inca impartiti in doua tabere opuse: prima care credea ca razele gama se datorau ”evenimentelor locale”- cum ar fi comete care cad pe stele neutronice – si erau localizate intr-un halo in jurul galaxiei noastre. Celalat grup dezminte aceste ipoteze si considera ca razele gama sunt unele dramatice, legate de moartea stelelor si de nasterea gaurilor negre, si de aceea apar oriunde in Univers.

Aceasta disputa a durat pana la lansarea satelitului Italian- German BeppoSAXw2, in 1996, care a folosit o combinatie de camere digitale cu raze X si detectoare de raze gama pentru a arata ca exploziile de raze gama se produc in galaxii foarte indepartate. De atunci,cele mai indepartate raze gama s-au gasit localizate la mai mult de 12.8 bilioane ani lumina distanta, ceea ce inseamna ca noi le observam in momentul in care Universul era cu mai putin de 900 milioane de ani mai tanarw3.

Cele mai importante evenimente de la Big Bang

Pentru ca razele gama sa fie detectabile de pe Pamant, trebuie sa degaje o mare cantitate de energie. Energia degajata in timpul exploziei razelor gama in decursul a cateva secunde se crede ca este mai mare decat ce degajata de Soare pe parcursul intregii sale vieti (aproximativ 10 000 milioane de ani). Cu alte cuvinte, aceste evenimente sunt atat de stralucitoare incat, pentru un scurt moment, ele aproape pot rivaliza intregul Univers in luminozitate! Cu toate acestea, ele se pierd intr-un timp foarte scurt, de la mai putin de o secunda pana la cateva minute.

In afara de Big Bang, exploziile razelor gama sunt de departe cele mai puternice evenimente cunoscute in Univers. Astronomii au avut ,de asemenea, posibilitatea de a stabili ca exploziile influenteaza o regiune foarte mare in jurul lor- in unele cazuri, in jur de 5 500 ani- lumina, care este mai mult de o cincime din distanta dintre Soare si centrul galaxiei noastre. Toata materia din aceasta regiune din spatiu va fi ionizata; acest lucru inseamna ca atomii vor ramane fara cea mai mare parte, daca nu chiar toti electronii lor. Daca ar exista orice forma de viata in aceasta regiune a Universului, cel mai probabil, aceasta va fi distrusa. De fapt, cativa oameni de stiinta sustin ca distrugerea in masa din perioada Ordovician-Silurian, care a avut loc cu aproximativ 450 de milioane de ani in urma, in care au disparut aproximativ 70% din toate speciile de pe Pamant, a fost determinata deexplozia unor raze gama in apropiere.

Exploziile razelor gama sunt astfel evenimente incredibile care se razbuna in galaxiile lor si elibereaza o cantitate extrem de mare de energie. Intrebarea bineinteles este ce fel de ”motor” poate declansa astfel de evenimente. Formarea unei gauri negre este un eveniment foarte puternic, astfel ca astronomii au inceput sa investigheze daca cele doua – exploziile razelor gama si gaurile negre – ar putea fi legate.

Cu toate ca detaliile sunt departe de a fi clare, oamenii de stiinta cred acum ca cel mai bun model care sa explice exploziile de raze gama este ”sfera de foc”. Conform acestui model, in timpul aparitiei unei gauri negre, energia rezultata din explozie este inmagazinata in energia cinetica a unui invelis de particule- o sfera de foc- evoluand cu viteza apropiata de viteza luminii. Intial, densitatea materialului explodat este atat de mare incat nu pot fi eliminate nici macar particule ca fotoni sau neutroni. Pe masura ce sfera de foc evolueaza la un diametru de 10-100 bilioane kilometrici, densitatea fotonilor scade destul pentru ca razele gama sa evadeze libere: o parte din energia cinetica a sferei de foc este transformata in radiatie electromagnetica, determinand o explozie de raze gama.

Lung si scurt

Observațiile asupra exploziilor de raze gama au aratat ca ele provin in principal in doua moduri: lungi (cu o durata mai mare de doua secunde) si scurte (cu o durata de la cateva milisecunde pana la doua secunde). Diferenta intre cele doua nu consta numai in ceea ce priveste durata: exploziile scurte consta de asemenea din fotoni de energie mai mare decat cele care provin de la exploziile lungi. In mod clar, cu toate ca ambele tipuri de explozii de raze gama sunt asociate cu gaurile negre originea fizica precisa a celor doua tipuri trebuie sa fie diferita.

In ultimii ani, un mare efort international a aratat cu convingere ca exploziile lungi de raze gama sunt legate de explozia finala a unei stele foarte mari (hipernove), cu o masa initiala mai mare de 30-40 de ori decat masa Soarelui, dupa care se prabusesc intr-o gaura neagra. Acest lucru a fost pus in evidenta cu ajutorul telescopului ESO in 2003w4. Folosind un Telescop Foarte Mare ESOw5, astronomii au obtinut, pe parcursul unei luni, spectre de slabire ale unei explozii de raze gama. Acest lucru le-a permis sa observe aparitia treptata a unui spectru de tip supernova, relevand o explozie extrem de violenta a unei stele.

Observarea unei explozii de raze gama scurte intr-o galaxie foarte indepartata cu VLT de la ESO. Imaginea din stanga a fost inregistrata la 24 Iule 2005, 12 ore dupa explozia de raze gama, aratand pozitia exploziei de raze gama GRB 0502724 asa cum a fost masurata cu Telescopul cu Raze X Swift (XRT) si satelitul cu raze X Chandra. Crucea albastra este pozitia unei incandescente optice. Imaginea urmatoare a fost luata pe 29 Iulie 2005 si una dintre imagini a fost extrasa din cealalta, rezultand imaginea din dreapta. Aceasta arata incandescenta, care indica prezenta exploziei de raze gama
Pentru imagine, mulţumim ESO

De atunci multe alte evenimente au permis astronomilor sa lege exploziile de raze gama cu hipernove. Un astfel de eveniment a avut loc pe 11 Decembrie 2001 si a fost observat de satelitul ESA XMMw6, la numai unsprezece ore dupa ce a fost detecatata explozia. In acel moment, obiectul emitea de sapte milioane de ori mai multe raze X decat o galaxie normala! Acest lucru a permis XMM sa obtina spectre detaliate ale exploziei, permitand astronomilor sa detecteze amprenta catorva elemente, cum ar fi magneziu, siliciu si nichel, care sunt in mod normal eliminate de o stea care explodeaza (pentru mai multe detalii legate de formarea metalelor grele, vedeti Rebusco, Boffin & Pierce-Price, 2007). Astronomers were detecting matter recently ejected by a supernova.

Stele fuzionand

Curba de lumina a exploziei de
raze gama pe 7 Iunie 2006, GRB
060607 A. Punctele rosii sunt datele
obtinute la Observatorul ESO de la
La Silla, observand incandescent (in
infrarosu apropiat) exploziei. Linia
albastra, corespunzatoare datelor,
pemit astronomilor sa determine peak
-ul curbei de lumina si asa se obtine
viteza materialului. S-a constatat ca
materia se deplaseaza cu o viteza
foarte apropiata de viteza luminii.
Apasa pe imagine pentru marire

Pentru imagine, mulţumim ESO

Ce stim despre exploziile de raze gama scurte? Pana nu demult, astronomii nu puteau sa detecteze incandescent. De aceea nu era posibil sa le localizam cu precizie si astfel sa deducem mediul in care s-au format, sau sa le caracterizam prin curba de lumina (variatia stralucirii cu timpul) sau prin spectru.

Acest lucru s-a schimbat la 9 Mai 2005 cand satelitul Swift NASA/ASI/PPARCw7 a detectat o explozie de raze gama pe o durata de 40 milisecunde si a localizat-o cu o precizie destul de mare pentru a permite astronomilor sa fixeze Telescopul Foarte Mare ESO pe aceasta si sa ia imagini. Explozia numita GRB 050509B, s-a gasit intr-o luminoasa galaxie eliptica care nu mai formeaza stele, situata la o distanta de 2700 milioane ani lumina.

Acest lucru a facut dificila invocarea unui model hipernova deoarece o supernova cu prabusire in interior este putin probabila intr-o astfel de galaxie, care nu mai produce stele si astfel nu se gasesc stelele mari cu viata scurta care se prabusesc in hipernove. Pe de alta parte, galaxiile luminoase, eliptice care nu mai formeaza stele sunt gazdele unor sisteme binare legate (doua stele care orbiteaza foarte aproape una in jurul celeilalte) compun stele compacte. Acest lucru este demonstrat de celalalt model, in care exploziile de raze gama sunt cauza atunci cand doua stele neutronice intr-un sistem binar duc la formarea unei gauri negre. Pentru a fi siguri ca modelul hipernova poate fi exclus, astronomii au observat explozia pentru alte trei saptamani,pana cand s-au convins ca pana si cea mai slabita supernova poate fi detectata. Dar nu s-a gasit nici una.

Cateva luni mai tarziu, astronomii au detectat, pentru prima data, incandescenta optica a unei explozii de raze gama scurte. Imaginile obtinute la observatorul ESO La Silla in Chile au aratat o sursa se epuiza la marginea galaxiei.

Astronomii au observat explozia, numita GRB 050709,pentru 20 de zile dar nu au detectat nici un semnal de tip supernova. Acest lucru a devenit suport pentru ipotezele ca exploziile de raze gama scurte nu apar ca un rezultat al hipernovelor, ci al stelelior compacte care fuzioneaza pentru a forma gauri negre.

In modelul de fuziune(vezi imaginea), doua stele masive care orbiteaza una in jurul celeilalte isi consuma combustibilul in circa 100 milioane de ani si se prabusesc in stele neutronice de mare densitate de aproximativ 10-20 kilometrii dimensiune.De-a lungul a 100 milioane pana la un bilion de ani cele doua obiecte continua sa piarda energie, si asa cum fac, orbitele lor se micsoreaza. Eventual ele se ciocnesc si produc explozii de raze gama scurte. Teoria functioneaza de asemenea daca una dintre stele devine gaura neagra, in loc de o stea neutronica,care in cele din urma devoreaza steaua netronica partenera.

Patruzeci de ani dupa ce s-au descoperit exploziile de raze gama, noi stim acum ca ele apar oriunde in Univers, de la cele mai indepartate margini pana la cele mai apropiate galaxii. Avem de asemenea explicatii pentru doua din cele mai comune tipuri de explozii descoperite. Dar natura este de obicei mai complicata decat noi tindem sa credem: avansand in tehnicile observationale, astronomii continua sa descopere noi tipuri de explozii de raze gama, si povestea este astfel departe de a fi finalizzata.

Modelul de fuziune: exploziile de raze gama scurte se considera a fi produse atunci cand doua obiecte foarte compacte (stele neutronice sau gauri negre) fuzioneaza pentru a produce o gaura neagra.
Pentru imagine, mulţumim ESO

Forty years after gamma-ray bursts were discovered, we now know that they appear everywhere in the Universe, from its farthest edge to neighbouring galaxies. We also have an explanation for the two most common kinds of burst discovered. But nature is often more complicated than we tend to believe: with advances in observation techniques, astronomers continue to discover new types of gamma-ray bursts, and the story is thus far from finished.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

ESO

Review

Este un articol foarte interesant care introduce si discuta un fenomen care ia in consideratie o cantitate foarte mare de energie: explozii de raze gama. Articolul poate fi folosit pentru a stimula a discutie referitoare la originea si misterele din Univers, cat si din punct de vedere a descoperirilor stiintifice si a dezvoltarilor tehnologice in cercetare. S-ar putea de asemenea sa incurajeze tinerii studenti pentru a deveni interesati si pentru a se implica in astronomie.


Alessandro Iscra, Italia




License

CC-BY-NC-ND