Εκλάμψεις Aκτίνων γ: Εκλάμψεις βραχείας διάρκειας και Μοντέλο Θερμής Σφαίρας

Εισαγωγή

Στο πρώτο μέρος (Εκλάμψεις Ακτίνων γ: Οι Λαμπρότερες Εκρήξεις στο Σύμπαν) είδαμε τα γενικά χαρακτηριστικά των εκλάμψεων ακτίνων γάμμα. Η μελέτη των χαρακτηριστικών αυτών σε βάθος δεκαετιών οδήγησε τους ερευνητές στην κατηγοριοποίηση τους σε δύο ομάδες, κυρίως με βάση τη χρονική διάρκειά τους. Στο προηγούμενο μέρος (Εκλάμψεις Aκτίνων γ: Οι κατηγορίες των εκλάμψεων ακτίνων γ, αναφορά στις μακράς διάρκειας) μιλήσαμε για τις long GRBs, τις εκλάμψεις ακτίνων γάμμα με διάρκεια μεγαλύτερη των 2 δευτερολέπτων, και την πιθανή σύνδεσή τους με τον εκρηκτικό θάνατο συγκεκριμένων άστρων (hypernova). Σε αυτό το τρίτο και τελευταίο μέρος θα παρουσιάσουμε τις εκλάμψεις ακτίνων γάμμα βραχείας διαρκείας (short GRBs)!

Short GRBs

Ο όρος short GRB αναφέρεται σε σύντομες και ενεργητικές εκπομπές υψηλοενεργειακών φωτονίων διάρκειας λιγότερης των 2 δευτερολέπτων. Αντίστοιχα με τα long GRBs, οι short GRBs διαθέτουν έναν αριθμό κοινών χαρακτηριστικών που υποστηρίζει την ιδέα ότι αποτελούν ξεχωριστή οντότητα και υπονοεί την ύπαρξη κάποιου ιδιαίτερου μηχανισμού παραγωγής τους. Μελετώντας το φάσμα τους έχουν βρεθεί σημαντικές διαφορές σε σχέση με τα long GRBs, όπως το γεγονός ότι το afterglow, ειδικά στις ακτίνες Χ και στο οπτικό, είναι σημαντικά ασθενέστερο. Επιπλέον, στατιστικά βρίσκονται κοντινότερα σε εμάς και το φάσμα τους δε σχετίζεται με τις καμπύλες φωτός υπερκαινοφανών αστέρων οποιουδήποτε τύπου. Όσον αφορά στις πηγές τους, οι γαλαξίες προέλευσής τους είναι ελλειπτικοί και τείνουν να αποτελούνται από γηραιότερους αστέρες.

Η πλειοψηφία των ερευνητών πιστεύει πως οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων ή αστέρων νετρονίων με μαύρες τρύπες αποτελούν τον μηχανισμό παραγωγής των short GRBs, θεώρηση που υποστηρίζεται από πολλά παρατηρησιακά δεδομένα. Ένα στοιχείο είναι η απόσταση των short GRBs από το γαλαξιακό κέντρο, που είναι 5 φορές μεγαλύτερη από αυτή των long GRBs. Ο εντοπισμός τους γίνεται συνήθως στην άλω του γαλαξία τους, γεγονός που οφείλεται στην εκρηκτική φύση της γέννησης των συμπαγών σωμάτων. Καθώς οι εκρήξεις supernova δεν είναι απόλυτα συμμετρικές, για λόγους διατήρησης ορμής το συμπαγές σώμα που προκύπτει εκτοξεύεται προς μια τυχαία κατεύθυνση, συνήθως εκτός του γαλαξιακού επιπέδου. Εκεί, υπάρχει η πιθανότητα να δημιουργήσει ένα διπλό σύστημα με ένα σώμα παρόμοιας προέλευσης και ύστερα από δισεκατομμύρια χρόνια, λόγω ενεργειακών απωλειών υπό τη μορφή βαρυτικών κυμάτων, να συγκρουστεί μαζί του, προκαλώντας ένα short GRB. Μάλιστα, η κατανομή των θέσεων των short GRBs συμφωνεί με την κατανομή των αρχέγονων δυαδικών συστημάτων αστέρων νετρονίων, δηλαδή αστέρων νετρονίων που προέρχονται από την πρώτη γενιά αστέρων του Σύμπαντος.  

Η ισχυρότερη ένδειξη για τα παραπάνω ήρθε τον Οκτώβριο του 2017 όταν εντοπίστηκαν βαρυτικά κύματα που αντιστοιχούσαν σε συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων συνολικής μάζας περίπου 2.8 ηλιακών μαζών και μία έκλαμψη ακτίνων γάμμα προερχόμενη από την ίδια περιοχή του ουρανού. Με πιθανότητα το ενδεχόμενο αυτό να συμβεί τυχαία να είναι απειροελάχιστη, οι παρατηρήσεις αυτές υποστήριξαν τις θεωρίες πολλών ερευνητών και επιβεβαίωσε πως κινούνται προς τη σωστή κατεύθυνση.

Το Μοντέλο της Θερμής Σφαίρας

Παραπάνω συζητήσαμε τους μηχανισμούς παραγωγής, τόσο για τα long GRBs όσο και για τα short, αναφέροντας τα φαινόμενα κατά τα οποία δημιουργούνται οι κατάλληλες συνθήκες να παραχθεί το τεράστιο ποσό ακτινοβολίας που παρατηρείται. Ποια είναι η φυσική, όμως, πίσω από την εκπομπή φωτονίων; Το μοντέλο που καλείται να εξηγήσει τι πραγματικά συμβαίνει όταν δύο αστέρες νετρονίων συγκρούονται ή όταν ένας μαζικός αστέρας καταρρέει προς σχηματισμό ενός συμπαγούς αντικειμένου ονομάζεται μοντέλο θερμής σφαίρας και προτάθηκε για πρώτη φορά το 1986 από τους Paczýnski και Goodman. Αποτελεί ένα απλό και κομψό μοντέλο με μεγάλο αριθμό αναθεωρήσεων, διαφοροποιήσεων και εκδοχών ανά τα χρόνια από πλήθος ερευνητών.

Όταν λαμβάνουν χώρα βίαια και εκρηκτικά συμβάντα, όπως αυτά που μας απασχολούν στη μελέτη των GRBs, υπάρχει δημιουργία εξαιρετικά θερμών και ενεργητικών εκροών πλάσματος που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Θεωρώντας πως οι εκροές αυτές έχουν σφαιρικό σχήμα και ότι εκτονώνονται αδιαβατικά, το μοντέλο περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των διαφορετικών πληθυσμών σωματιδίων, δηλαδή των πρωτονίων, των φωτονίων και των ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, τι ενέργειες περιμένουμε να έχουν και πώς μεταβάλλονται με τον χρόνο. 

Επομένως, τι είναι οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα; Είναι εξαιρετικά λαμπρές εκρήξεις που πιθανότατα συνέβησαν πολύ νωρίς στη ζωή του σύμπαντος. Τα φάσματά τους ποικίλλουν έντονα από έκλαμψη σε έκλαμψη, αλλά τα φωτόνια που βλέπουμε φτάνουν πάντα σε πολύ υψηλές ενέργειες. Η προέλευσή τους είναι ακόμη αμφιλεγόμενη και πολυσυζητημένη, όπως και ο μηχανισμός παραγωγής τους.