Гамма-всплеск

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности:

• альфа-распад – радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица;
• бета-распад — радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны;
• спонтанное деление атомных ядер — самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 1020 для Тория-232;
• протонная радиоактивность — радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны).

Что такое изотопы?

Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например: 55Cs131, 55Cs134m, 55Cs134, 55Cs135, 55Cs136, 55Cs137. Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые – самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы. Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов. Примером устойчивого изотопа может служить Pb206, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U235, U238 и Th232.

Послесвечения: релятивистские джеты

В отличие от собственно гамма-всплеска, механизмы послесвечения достаточно хорошо разработаны теоретически. Предполагается, что некоторое событие в центральном объекте инициирует образование ультрарелятивистской разлетающейся оболочки (лоренц-фактор Γ порядка 100). По одной модели, оболочка состоит из барионов (масса её должна составлять 10−8 — 10−6 масс Солнца), по другой — это замагниченное течение, в котором основная энергия переносится вектором Пойнтинга.

Весьма существенно, что во многих случаях наблюдается сильная переменность как в самом гамма-излучении (на временах порядка разрешения прибора — миллисекунд), так и в рентгеновских и оптических послесвечениях (вторичные и последующие вспышки, энерговыделение в которых может быть сравнимо с самим всплеском). До некоторой степени это можно объяснить столкновением нескольких ударных волн в оболочке, двигающихся с разными скоростями, но в целом это явление представляет серьёзную проблему для любого объяснения механизма работы центральной машины: нужно, чтобы после первого всплеска она могла ещё давать несколько эпизодов энерговыделения, иногда через времена порядка нескольких часов.

Послесвечение обеспечивается в основном синхротронным механизмом и, возможно, обратным комптоновским рассеянием.

Кривые блеска послесвечений довольно сложны, так как они складываются из излучения головной ударной волны, обратной ударной волны, возможного излучения сверхновой и т. д. Иногда на последних стадиях излучения наблюдается излом кривой блеска (от степени −1 до −2), что считается свидетельством в пользу наличия релятивистского джета: излом происходит тогда, когда Γ-фактор падает до значения ~1/θ, где θ — угол раскрытия джета.

Ссылки

• «Хаббл» открыл первую килонову // 5 августа 2013
• PBS NOVA: Death Star (gamma-ray bursts)
• Animation of Gamma Ray Burst (Quicktime)
• GRB 971214: Most energetic event in the universe
• GRB 971214: Space Science Update Webcast (RealMedia)
• Gamma-ray Burst Real-time Sky Map based on Swift data
• Gamma ray bursters segment of Science Friday, 3 Jun 2005 (RealAudio)
• Gamma-ray burst FAQ from CalTech
• Most distant cosmic blast sighted (BBC reports a registered GRB from about 13 billion light years away)
• Cosmological Gamma-Ray Bursts and Hypernovae Conclusively Linked (ESO)

Орбитальные обсерватории ГВ

Проекты исследования ГВ (Требуется перевод)

• GROND: Gamma-Ray Burst Optical Near-infrared Detector
• PROMPT: Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescopes
• RAPTOR: Rapid Telescopes for Optical Response
• ROTSE: Robotic Optical Transient Search Experiment
• PAIRITEL: Peters Automated Infrared Imaging Telescope
• MASTER: Mobile Astronomical System of the Telescope-Robots
• KAIT: The Katzman Automatic Imaging Telescope
• REM: Rapid Eye Mount

Научно-популярные фильмы

Гамма-всплески (Передача А. Гордона)

Области применения гамма-лучей

Даже смертоносным лучам пытливые умы учёных нашли сферы применения. В настоящее время гамма-излучение используется в различных отраслях промышленности, идут на благо науки, а также успешно применяются в различных медицинских приборах.

Для лечения онкологических новообразований гамма-лучи незаменимы, так как способны разрушить аномальные клетки, и прекратить их стремительное деление. Иногда остановить аномальный рост раковых клеток невозможно ничем, тогда на помощь приходит гамма-излучение, где клетки уничтожаются полностью.

Применяется гамма ионизирующее излучение для уничтожения патогенной микрофлоры и различных потенциально опасных загрязнений. В радиоактивных лучах стерилизуют медицинские инструменты и приборы. Также данный вид радиации применяется для обеззараживания некоторых продуктов.

Гамма-лучами просвечивают различные цельнометаллические изделия для космической и других отраслей промышленности с целью обнаружения скрытых дефектов. В тех областях производства, где необходим предельный контроль за качеством изделий, этот вид проверки просто незаменим.

При помощи гамма-лучей учёные измеряют глубину бурения, получают данные о возможности залегания различных пород. Гамма-лучи могут быть использованы и в селекции. Строго дозированным потоком облучаются определённые отобранные растения, чтобы получить нужные мутации в их геноме. Таким способом селекционеры получают новые породы растений с нужными им свойствами.

С помощью гамма-потока определяются скорости космических аппаратов и искусственных спутников. Посылая лучи в космическое пространство, учёные могут определить расстояние и смоделировать путь космического аппарата.

Всплески: длинные, короткие…

По мнению профессора Техасского университета в Остине Крейга Уилера, возникновение длинных гамма-всплесков наилучшим образом объясняет модель, связывающую их со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд. Такие взрывы оставляют после себя или черные дыры, или магнетары — сильно намагниченные быстро вращающиеся нейтронные звезды. В соответствии с этой моделью гамма-кванты должны выбрасываться внутри узких конусов, направленных вдоль оси вращения гибнущей звезды. Их источниками, скорее всего, служат ультрарелятивистские джеты — потоки частиц, чья скорость лишь на тысячные доли процента меньше скорости света. Общая энергия коллимированных выбросов гамма-квантов должна быть в тысячи раз меньше изотропного эквивалента и поэтому даже в максимуме не превышает 1051 эрг (1044 Дж). Коллапсу очень массивной звезды вполне по силам обеспечить такой энергетический выход. Для свободного выброса гамма-квантов звезда должна избавиться от внешней водородной оболочки, иначе та поглотит большую часть излучения. «Но это лишь общая картина, — говорит Уилер. — Детали работы космических машин, преобразующих гравитационную и вращательную энергию гибнущих звезд в направленное гамма-излучение, пока еще не выяснены. В частности, нам неизвестно, какой вклад в эти процессы вносят заряженные частицы и магнитные поля и на каких расстояниях от центра коллапсара рождаются основные потоки гамма-квантов».

Наиболее популярная модель происхождения коротких всплесков утверждает, что они возникают при столкновении намагниченных нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра инерции и постепенно сближаются из-за потери энергии, уносимой гравитационными волнами. Однако у этой модели есть свои белые пятна. Крейг Уилер о.

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Примечания

1. В и СМИ встречается также термин гамма-вспышка.
2. Podsiadlowski P., Mazzali P. A., Nomoto K., et al. The Rates of Hypernovae and Gamma-Ray Bursts: Implications for Their Progenitors // The Astrophysical Journal Letters. — 23 апреля 2004. — № 1.
3. Melott A. L., Lieberman B. S., Laird C. M., et al. Did a gamma-ray burst initiate the late Ordovician mass extinction? // International Journal of Astrobiology. — Январь 2004. — № 1.
4. ↑ Gamma-Ray Bursts: a brief history. NASA. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.

5. Hurley, Kevin. A Gamma-Ray Burst Bibliography, 1973-2001 // Gamma-Ray Burst and Afterglow Astronomy 2001: A Workshop Celebrating the First Year of the HETE Mission / Ed. by G. A. Ricker, R. K. Vanderspek. — American Institute of Physics, 2003. — P. 153-155. — ISBN 0-7534-0122-5. (см. ISBN )

6. Mazets, E.P., Golenetskii, S.V, et al. (1979). «Venera 11 and 12 observations of gamma-ray bursts — The Cone experiment». Soviet Astronomy Letters 5: 87-90.

7. Лучков Б. И., Митрофанов И. Г., Розенталь И. Л. О природе космических гамма-всплесков. — 1996. — Т. 166. — № 7. — С. 743–762. (Проверено 4 августа 2011)
8. NASA HEASARC: IMP-6.. NASA. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.
9. NASA HEASARC: OSO-7.. NASA. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.
10. Мазец Е. П., Голенецкий С. В., Ильинский В. Н. Вспышка космического гамма-излучения по наблюдениям на ИСЗ «Космос-461» // Письма в ЖЭТФ. — 1974. — Т. 19. — С. 126—128.
11. Klebesadel R. W. et al. Observations of gamma-ray bursts of cosmic origin. — USA.: 1973. — Т. 182. — С. 85—88.
12. Schilling 2002, p. 19-20
13. Аптекарь Р.Л., Голенецкий С.В., Мазец Е.П., Пальшин В.Д., Фредерикс Д.Д. Исследования космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров в экспериментах ФТИ КОНУС. — 2010. — Т. 180. — С. 420–424.
14. Голенецкий С.В., Мазец Е.П. // Сб. Астрофизика и космическая физика. — М.: 1982. — С. 216.
15. Голенецкий С.В., Мазец Е.П. // Сб. Астрофизика и космическая физика (Итоги науки и техники. Сер. Астрономия). — М.: 1987. — Т. 32. — С. 16.
16. NASA HEASARC: CGRO.. NASA. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.

17. Meegan, C.A. et al. (1992). «Spatial distribution of gamma-ray bursts observed by BATSE». Nature 355: 143. doi:10.1038/355143a0.

18. Schilling, Govert (2002). «Flash! The hunt for the biggest explosions in the universe». Cambridge University Press.

19. Paczyński, B. (1995). «How Far Away Are Gamma-Ray Bursters?». Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107: 1167. doi:10.1086/133674. Bibcode: 1995PASP..107.1167P.

20. Piran, T. (1992). «The implications of the Compton (GRO) observations for cosmological gamma-ray bursts». Astrophysical Journal Letters 389: L45. doi:10.1086/186345.

21. Lamb, D.Q. (1995). «The Distance Scale to Gamma-Ray Bursts». Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107: 1152. doi:10.1086/133673. Bibcode: 1995PASP..107.1152.

22. Hurley, K., Cline, T. and Epstein, R. (1986). «Error Boxes and Spatial Distribution». in Liang, E.P. and Petrosian, V.. Gamma-Ray Bursts. AIP Conference Proceedings. 141. American Institute of Physics. pp. 33–38. ISBN 0-88318-340-4.
23. Pedersen, H. et al. (1986). «Deep Searches for Burster Counterparts». in Liang, Edison P.; Petrosian, Vahé. Gamma-Ray Bursts. AIP Conference Proceedings. 141. American Institute of Physics. pp. 39–46. ISBN 0-88318-340-4.

24. Hurley, K. (1992). «Gamma-Ray Bursts — Receding from Our Grasp». Nature 357: 112. doi:10.1038/357112a0. Bibcode: 1992Natur.357..112H.

25. Fishman, C.J. and Meegan, C.A. (1995). «Gamma-Ray Bursts». Annual Review of Astronomy and Astrophysics 33: 415–458. doi:10.1146/annurev.aa.33.090195.002215.

26. Paczyński, B. and Rhoads, J.E. (1993). «Radio Transients from Gamma-Ray Bursters». Astrophysics Journal 418: 5. doi:10.1086/187102. Bibcode: 1993ApJ…418L…5P.

27. Самый яркий взрыв Вселенной
28. Слияние нейтронных звезд может служить источником энергии коротких гамма-всплесков // Элементы

29. Blinnikov, S., et al. (1984). «Exploding Neutron Stars in Close Binaries». Soviet Astronomy Letters 10: 177.

30. Гамма-всплески | Энциклопедия безопасности

История открытия: как обнаружили гамма-всплески?

Гамма-всплеск GRB 130427A

Первый гамма-всплеск был определен в 1967 году военным спутником Vela. Парадокс открытия заключен в том, что в конце 60-х гг. правительство США потратило миллионы долларов на создание спутников-шпионов для слежения за возможными испытаниями ядерного оружия в СССР. Приборы, размещенные на них, должны были фиксировать возникающее гамма-излучение. И они срабатывали так часто, что военные генералы усомнились в возможности противника провести столько секретных ядерных взрывов. Примитивные приборы не определяли местоположение излучения и не давали информации, где оно возникло – на земле или в космосе. Поняв, что природа изучаемого катаклизма не связана с СССР, военные потеряли к ней интерес, и в 1973 году были опубликованы имеющиеся данные по этому открытию.

Чтобы вычислить расположение ГВ, в 1976 году создали Межпланетную сеть (IPN), позволяющую при взаимодействии детекторов, работающих в унисон, использовать метод триангуляции. Эта организация функционирует и в наши дни. Эксперименты КОНУС, проводимые на космических станциях «Венера», позволили выявить отдельный класс гамма-всплесков, имеющих кратковременный характер, и случайность их появления.

Потенциальная опасность

Гамма-всплески во Вселенной распространены повсеместно и происходят достаточно часто. Возникает закономерный вопрос: представляют ли они опасность для Земли?

Теоретически рассчитаны последствия для биосферы, которые может вызвать интенсивное гамма-облучение. Так, при энерговыделении 1052 эрг (что соответствует 1039 МДж или около 3,3∙1038 кВт∙ч) и расстоянии 10 световых лет эффект от всплеска был бы катастрофическим. Подсчитано, что на каждом квадратном сантиметре поверхности Земли в том полушарии, которое имело бы несчастье попасть под гамма-поток, выделится 1013 эрг, или 1 МДж, или 0,3 кВт∙ч энергии. Другому полушарию тоже не поздоровится – все живое там погибнет, но чуть позже, вследствие вторичных эффектов.

Однако вряд ли нам угрожает такой кошмар: вблизи Солнца просто нет звезд, способных обеспечить столь чудовищное энерговыделение. Судьба стать черной дырой или нейтронной звездой близким к нам звездам также не грозит.

Конечно, гамма-всплеск представлял бы серьезную угрозу биосфере и на значительно большем расстоянии, однако следует учитывать, что его излучение распространяется не изотропно, а достаточно узким потоком, и вероятность попасть в него у Земли намного меньше, чем вообще его не заметить.

Откуда у Луны гамма-излучение

Большинство гамма-излучения в нашей Солнечной системе исходит из отдаленных источников, таких как квазары и активные галактические ядра (AGN). Луна является косвенным источником гамма-излучения и производит его посредством взаимодействия с космическими лучами.

Космические лучи — это тип высокоэнергетического излучения, которое в основном производится за пределами нашей Солнечной системы. Их излучают такие космические объекты, как сверхновые и активные галактические ядра. Когда космические лучи ударяют материю, как, например, поверхность Луны, они создают гамма-лучи. Луна фактически поглощает большую часть созданных гамма-лучей, но некоторые отражаются обратно в космос.

Сила гамма-лучей Луны не всегда постоянна, она меняется со временем. Марио Никола Мацциотта и Франческо Лопарко, два исследователя из Национального института ядерной физики Италии, собрали данные о гамма-лучах Луны, которые превышали 31 миллион электрон-вольт (в 10 миллионов раз мощнее видимого света), и сделали своего рода «выдержку». Это привело к следующему изображению, на котором вид с течением времени улучшается.

Отраженные от Луны гамма-лучи с энергией 31 МэВ и выше, которые зафиксировал космический гамма-телескоп NASA «Fermi». Последовательность изображений показывает выдержанную экспозицию от двух до 128 месяцев. Изображение: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

Однако эта яркость не постоянна. Данные космического телескопа «Ферми» показывают, что яркость Луны изменяется примерно на 20% в течение 11-летнего цикла активности Солнца. В течение этого цикла Солнце испытывает изменения в своем магнитном поле. В результате иногда на Луну попадает больше космических лучей, чем в другое время.

Магнитное поле Солнца изменяется как по силе, так и по сложности в течение 11-летнего цикла. Это сравнение показывает относительную сложность солнечного магнитного поля между январем 2011 года (слева) и июлем 2014 года (справа) Изображение: NASA

Привязка к небу

Первый шаг к преодолению этой неопределенности был сделан командой ученых во главе с голландским астрономом Яном ван Парадейсом 14 лет назад. Ученые работали с данными, полученными с итало-голландской орбитальной обсерватории BeppoSAX, которая в первую очередь предназначалась для исследований в рентгеновском диапазоне, но была оснащена детектором длинноволновых гамма-квантов с энергиями 60−600 кэВ (иногда эту область относят к верхней границе рентгеновского спектра).

28 февраля 1997 года BeppoSAX зарегистрировал вошедший в историю 80-секундный гамма-всплеск GRB 970228 (первые две цифры означают год, вторые — месяц, третьи — число). Погрешность в определении угловых координат на сей раз не превышала одной угловой минуты, и как раз на этом участке неба был выявлен чрезвычайно тусклый объект, различимый с помощью оптических телескопов. Правда, расстояние до него удалось определить лишь приблизительно, но это было только начало. 8 мая и 14 декабря BeppoSAX навел ученых еще на два длинных гамма-всплеска с оптическими двойниками, которые уж несомненно отстояли от Солнца на космологические дистанции (последний — аж на 12 млрд световых лет!).

Самые значимые ГВ

С момента фиксации первого гамма-всплеска в 1967 году ведется их список в хронологическом порядке. В него вошли явления, характеристики которых отличаются от стандартных параметров. Обозначение дат ведется: год, месяц, день.

• Поток энергии с наибольшей яркостью среди первых наблюдаемых – GRB 971214.
• Ближайший из замеченных всплесков – GRB 980425.
• Явление, отличающееся особой яркостью, видимое в оптическом и гамма-диапазоне, – GRB 990123.
• Возникший близко к Земле гамма-всплеск с досконально исследованным послесвечением – GRB 030329.
• Первый выброс энергии от сверхновой, снятый с начала появления, – GRB 060218.
• Ярчайшее послесвечение во Вселенной – GRB 080319.
• Гамма-всплеск, произошедший на наибольшем удалении от Солнечной системы из наблюдаемых, – GRB 090423.
• Явление, имевшее наибольшую длительность, составляющую временной интервал до 12 месяцев, – GRB 110328.

Интересные факты: последствия ГВ для Земли

Гамма-всплеск, произошедший на расстоянии в несколько миллионов св. лет в пределах нашей Галактики, и направление выброса которого будет направленно на Землю, приведет к частичному или полному исчезновению существующих жизненных форм и видов. С такими катаклизмами ученые связывают массовые вымирания, произошедшие 250 млн. лет назад, – тогда погибло 95% обитавших видов. А еще раньше на 200 млн. лет погибло 60% морских обитателей.

Прогнозировать время энергетического удара гамма-всплеска невозможно. Но частота появления в Галактике таких явлений измеряется миллионами лет. Так что сегодня нет поводов для беспокойства о нашем будущем.

Классификация

В настоящее время на основе наблюдаемых особенностей выделяют два типа гамма-всплесков:

• Длинные, характеризующиеся продолжительностью от 2 секунд. Таких вспышек насчитывается около 70 %. Средняя длительность их – 20–30 секунд, а максимальная зарегистрированная продолжительность вспышки GRB 130427A составила более 2 часов. Есть точка зрения, согласно которой настолько долгие события (их сейчас насчитывается три) следует выделить в особый тип ультрадлинных всплесков.
• Короткие. Они развиваются и затухают в узких временных рамках – менее 2 секунд, в среднем же продолжаются около 0,3 секунд. Рекордсменом пока является вспышка, продолжавшаяся всего 11 миллисекунд.

Далее мы рассмотрим наиболее вероятные причины гамма-всплесков двух основных типов.

Способы защиты

Те лучи, которые, обладая огромными скоростями, проникают в защищённое пространство земли, не причиняют большого вреда живым существам. Наибольшую опасность представляют источники и гамма-радиация, полученная в земных условиях.

Самым главным источником опасности радиационного заражения остаются предприятия, где под контролем человека осуществляется контролируемая ядерная реакция. Это атомные электростанции, где производится энергия для обеспечения населения и промышленности светом и теплом.

Для обеспечения работников этих объектов принимаются самые серьёзные меры. Трагедии, произошедшие в разных точках мира, из-за утраты человеком контроля за ядерной реакцией, научили людей быть осторожными с невидимым врагом.