Механизмы излучения гамма-всплесков

Механизмы излучения гамма-всплесков - это теории, объясняющие, как энергия прародителя гамма-всплеска (независимо от фактической природы прародителя) превращается в излучение. Эти механизмы являются основной темой исследований с 2007 года. Ни кривые блеска, ни ранние спектры гамма-всплесков не обнаруживают сходства с излучением, испускаемым каким-либо известным физическим процессом.

Проблема компактности [ править ]

В течение многих лет было известно, что выброс вещества с релятивистскими скоростями (скоростями, очень близкими к скорости света ) является необходимым условием для получения излучения в гамма-всплеске. GRB варьируются в таких коротких временных масштабах (вплоть до миллисекунд), что размер излучающей области должен быть очень маленьким, иначе временная задержка из-за конечной скорости света "размазывает" излучение во времени, уничтожая любое короткое -временное поведение. При энергиях, связанных с типичным гамма-всплеском, такое количество энергии, заключенное в такое маленькое пространство, сделало бы систему непрозрачной для образования пар фотон-фотон., что делает вспышку гораздо менее яркой, а также придает ей спектр, сильно отличающийся от наблюдаемого. Однако, если излучающая система движется к Земле с релятивистскими скоростями, всплеск сжимается во времени (как видит земной наблюдатель, из-за релятивистского эффекта Доплера ), и излучающая область, полученная из конечной скорости света, становится намного меньше, чем истинный размер гамма-всплеска (см. релятивистское излучение ).

GRB и внутренние шоки [ править ]

Связанное с этим ограничение накладывается относительными временными масштабами, наблюдаемыми в некоторых всплесках, между кратковременной изменчивостью и общей длиной гамма-всплеска. Часто этот временной масштаб изменчивости намного короче общей длины пакета. Например, в импульсах длительностью до 100 секунд большая часть энергии может выделяться в коротких эпизодах продолжительностью менее 1 секунды. Если бы гамма-всплеск был вызван движением материи к Земле (как утверждает аргумент о релятивистском движении), трудно понять, почему он высвобождает свою энергию в такие короткие промежутки времени. Общепринятое объяснение этому состоит в том, что эти взрывы связаны со столкновением нескольких снарядов, летящих с немного разными скоростями; так называемые «внутренние шоки». ^[1]Столкновение двух тонких оболочек мгновенно нагревает вещество, превращая огромное количество кинетической энергии в беспорядочное движение частиц, значительно усиливая выделение энергии из-за всех механизмов излучения. Какие физические механизмы участвуют в создании наблюдаемых фотонов, все еще остается предметом споров, но наиболее вероятными кандидатами являются синхротронное излучение и обратное комптоновское рассеяние .

По состоянию на 2007 год не существует теории, которая бы успешно описывала спектр всех гамма-всплесков (хотя некоторые теории работают для подмножества). Тем не менее, так называемая функция Band (названная в честь Дэвида Бэнда ) оказалась довольно успешной при подборе эмпирически спектров большинства гамма-всплесков:

${\ displaystyle N (E) = {\ begin {case} {E ^ {\ alpha} \ exp \ left ({- {\ frac {E} {E_ {0}}}} \ right)}, & {\ mbox {if}} E \ leq (\ alpha - \ beta) E_ {0} {\ mbox {}} \\ {\ left [{\ left ({\ alpha - \ beta} \ right) E_ {0}} \ right] ^ {\ left ({\ alpha - \ beta} \ right)} E ^ {\ beta} \ exp \ left ({\ beta - \ alpha} \ right)}, & {\ mbox {if}} E> (\ alpha - \ beta) E_ {0} {\ mbox {}} \ end {case}}}$

Несколько всплесков гамма-излучения показали наличие дополнительной компоненты запаздывающего излучения при очень высоких энергиях (ГэВ и выше). Одна из теорий этого излучения предполагает обратное комптоновское рассеяние . Если бы предшественник гамма- всплеска, такой как звезда Вольфа-Райе , взорвался в звездном скоплении , образовавшаяся ударная волна могла бы генерировать гамма-лучи, рассеивая фотоны от соседних звезд. Около 30% известных галактических звезд Вольфа-Райе расположены в плотных скоплениях О-звезд с интенсивными полями ультрафиолетового излучения, и модель коллапсара предполагает, что звезды WR, вероятно, являются прародителями гамма-всплесков. Следовательно, ожидается, что значительная часть гамма-всплесков будет находиться в таких скоплениях. Как релятивистская материяВыброшенный из взрыва замедляется и взаимодействует с фотонами ультрафиолетового диапазона, некоторые фотоны получают энергию, генерируя гамма-лучи. ^[2]

Послесвечение и внешние толчки [ править ]

Механизм гамма-всплеска

Сам GRB очень быстрый, длится от менее секунды до максимум нескольких минут. Когда он исчезает, он оставляет за собой двойника на более длинных волнах (рентгеновское, УФ, оптическое, инфракрасное и радио), известное как послесвечение ^[3], которое обычно остается обнаруживаемым в течение нескольких дней или дольше.

В отличие от излучения гамма-всплеска, в послесвечении не предполагается преобладание внутренних толчков. В общем, все выброшенное вещество к этому времени слилось в единую оболочку, движущуюся наружу в межзвездную среду (или, возможно, звездный ветер ) вокруг звезды. На фронте этой материальной оболочки находится ударная волна, называемая «внешним ударом» ^[4], поскольку все еще релятивистски движущееся вещество врезается в разреженный межзвездный газ или газ, окружающий звезду.

Когда межзвездное вещество движется через ударную волну, оно сразу же нагревается до экстремальных температур. (Как это происходит, по состоянию на 2007 год все еще плохо понимается, поскольку плотность частиц через ударную волну слишком мала, чтобы создать ударную волну, сравнимую с теми, которые известны в плотных земных средах - тема «бесстолкновительных ударов» все еще остается в основном гипотезой, но кажется для точного описания ряда астрофизических ситуаций. Магнитные поля, вероятно, имеют решающее значение.) Эти частицы, теперь релятивистски движущиеся, сталкиваются с сильным локальным магнитным полем и ускоряются перпендикулярно магнитному полю, заставляя их излучать свою энергию через синхротронное излучение.

Синхротронное излучение хорошо изучено, и спектр послесвечения был довольно успешно смоделирован с использованием этого шаблона. ^[5] Обычно в нем преобладают электроны (которые движутся и поэтому излучают намного быстрее, чем протоны и другие частицы), поэтому излучение других частиц обычно игнорируется.

В общем, гамма-всплеск принимает форму степенного закона с тремя точками излома (и, следовательно, четырьмя различными степенными сегментами). Самая низкая точка излома соответствует частоте, ниже которой гамма-всплеск непрозрачен для излучения, и поэтому спектр достигает формы хвоста Рэлея-Джинса излучения черного тела . Две другие точки излома, и , связаны с минимальной энергией, приобретаемой электроном после того, как он пересекает ударную волну, и временем, которое требуется электрону, чтобы излучить большую часть своей энергии, соответственно. В зависимости от того, какая из этих двух частот выше, возможны два разных режима: ^[6]${\ displaystyle \ nu _ {a}}$${\ displaystyle \ nu _ {m}}$${\displaystyle \nu _{c}}$

• Быстрое охлаждение ( ) - Вскоре после гамма-всплеска ударная волна передает огромную энергию электронам, и минимальный лоренц-фактор электронов очень высок. В этом случае спектр выглядит так:${\displaystyle \nu _{m}>\nu _{c}}$

${\displaystyle F_{\nu }\propto {\begin{cases}{\nu ^{2}},&\nu <\nu _{a}\\{\nu ^{1/3}},&\nu _{a}<\nu <\nu _{c}\\{\nu ^{-1/2}},&\nu _{c}<\nu <\nu _{m}\\{\nu ^{-p/2}},&\nu _{m}<\nu \end{cases}}}$

• Медленное охлаждение ( ) - Позже после гамма-всплеска ударная волна замедлилась, и минимальный электронный лоренц-фактор намного ниже:${\displaystyle \nu _{m}<\nu _{c}}$

${\displaystyle F_{\nu }\propto {\begin{cases}{\nu ^{2}},&\nu <\nu _{a}\\{\nu ^{1/3}},&\nu _{a}<\nu <\nu _{m}\\{\nu ^{-(p-1)/2}},&\nu _{m}<\nu <\nu _{c}\\{\nu ^{-p/2}},&\nu _{c}<\nu \end{cases}}}$

Послесвечение меняется со временем. Очевидно, он должен исчезнуть, но спектр тоже меняется. Для простейшего случая адиабатического расширения в среду с однородной плотностью критические параметры эволюционируют как:

${\displaystyle \nu _{c}\propto t^{1/2}}$

${\displaystyle \nu _{m}\propto t^{-3/2}}$

${\displaystyle F_{\nu ,max}=const}$

Вот поток на текущей пиковой частоте спектра гамма-всплеска. (Во время быстрого охлаждения это на ; во время медленного охлаждения на .) Обратите внимание, что, поскольку падает быстрее, чем , система в конечном итоге переключается с быстрого охлаждения на медленное.${\displaystyle F_{\nu ,max}}$${\displaystyle \nu _{c}}$${\displaystyle \nu _{m}}$${\displaystyle \nu _{m}}$${\displaystyle \nu _{c}}$

Для радиационной эволюции и для среды с непостоянной плотностью (например, звездного ветра ) получены различные масштабные коэффициенты , но они имеют общий степенной закон, наблюдаемый в этом случае.

Несколько других известных эффектов могут изменить эволюцию послесвечения:

Обратные удары и оптическая вспышка [ править ]

Могут быть «обратные толчки», которые распространяются обратно в потрясенное вещество, когда оно начинает сталкиваться с межзвездной средой. ^{[7] [8]} Материал, подвергшийся двойному току, может производить яркую оптическую / УФ-вспышку, которая наблюдалась в нескольких гамма-всплесках, ^[9] хотя, похоже, это не обычное явление.

Обновленные толчки и поздние вспышки [ править ]

Могут возникнуть «освежающие» толчки, если центральный двигатель продолжает выделять быстро движущееся вещество в небольших количествах даже в последнее время, эти новые толчки будут догонять внешний толчок, создавая нечто вроде внутреннего толчка в более поздний период времени. Это объяснение использовалось для объяснения частых вспышек, наблюдаемых в рентгеновских лучах и на других длинах волн во многих вспышках, хотя некоторые теоретики не согласны с очевидным требованием, чтобы прародитель (который, как можно было бы подумать, был бы уничтожен гамма-всплеском) оставался активным в течение очень длинный.

Эффекты струи [ править ]

Считается, что гамма-всплески испускаются струями, а не сферическими оболочками. ^[10] Первоначально два сценария эквивалентны: центр струи не «знает» о краю струи, и из-за релятивистского излучениямы видим только небольшую часть струи. Однако по мере того, как струя замедляется, в конечном итоге происходят две вещи (каждая примерно в одно и то же время): во-первых, информация от края струи об отсутствии бокового давления распространяется к ее центру, и вещество струи может распространяться вбок. . Во-вторых, эффекты релятивистского излучения ослабевают, и как только наблюдатели Земли видят всю струю, расширение релятивистского луча больше не компенсируется тем фактом, что мы видим большую излучающую область. Как только эти эффекты появляются, джет очень быстро затухает, и этот эффект проявляется в виде степенного «излома» кривой блеска послесвечения. Это так называемый «разрыв струи», который наблюдался в некоторых событиях и часто цитируется как свидетельство единодушного мнения о гамма-всплесках как о джетах. Многие послесвечения GRB не показывают разрывов струи, особенно в рентгеновских лучах.но они чаще встречаются в оптических кривых блеска. Хотя разрывы струи обычно происходят в очень позднее время (~ 1 день или более), когда послесвечение довольно слабое и часто не обнаруживается, это не обязательно удивительно.

Погашение пыли и поглощение водорода [ править ]

На луче зрения от GRB до Земли может быть пыль как в родительской галактике, так и в Млечном Пути . В этом случае свет будет ослабевать и покраснеть, и спектр послесвечения может сильно отличаться от смоделированного.

На очень высоких частотах (дальний ультрафиолет и рентгеновские лучи) газообразный межзвездный водород становится значительным поглотителем. В частности, фотон с длиной волны менее 91 нанометра обладает достаточной энергией, чтобы полностью ионизировать нейтральный водород, и поглощается с почти 100% вероятностью даже через относительно тонкие газовые облака. (На гораздо более коротких длинах волн вероятность поглощения снова начинает падать, поэтому послесвечение рентгеновского излучения все еще можно обнаружить.) В результате наблюдаемые спектры гамма-всплесков с очень большим красным смещением часто падают до нуля на длинах волн, меньших, чем это порог ионизации водорода (известный как разрыв Лаймана ) будет в системе отсчета хозяина гамма-всплеска. Другие, менее драматические особенности поглощения водорода также часто наблюдаются в гамма-всплесках с высоким z, таких как альфа-лес Лаймана..

Ссылки [ править ]