Гамма-всплески (ГВ) представляют собой кратковременные, но
чрезвычайно интенсивные выбросы электромагнитного излучения в
гамма-диапазоне, наблюдаемые в космосе на расстояниях до миллиардов
световых лет. Они характеризуются энергиями фотонов от сотен
килоэлектронвольт до нескольких гигаэлектронвольт и общей энергией
выброса, сопоставимой с полной энергии, выделяемой Солнцем за миллиарды
лет. Эти события играют ключевую роль в астрофизике высоких энергий и
релятивистской физике, так как связаны с процессами в окрестности
компактных объектов и ультраскоростных потоков материи.
Классификация и
временные характеристики
ГВ делятся на два основных класса:
Короткие гамма-всплески
- Продолжительность менее 2 секунд.
- Часто ассоциируются с слиянием нейтронных звезд или нейтронной
звезды с черной дырой.
- Высокая энерговыделяющая способность в короткий промежуток времени
указывает на релятивистские джеты и экстремальные условия
гравитационного коллапса.
Длинные гамма-всплески
- Продолжительность более 2 секунд, до сотен секунд.
- Связаны с коллапсом массивных звезд (гиперновые коллапсы),
приводящим к образованию черной дыры.
- Процесс сопровождается аккрецией вещества на центральный компактный
объект и формированием релятивистских струй.
Точное измерение временных профилей ГВ позволяет исследовать
структуру джета, длительность центрального двигателя и механизмы
преобразования энергии.
Механизмы генерации
гамма-всплесков
Основной физический процесс, приводящий к появлению ГВ, связан с
освобождением гравитационной энергии вблизи компактных
объектов, преобразующейся в кинетическую энергию частиц и
электромагнитное излучение. Ключевые механизмы:
Релятивистские джеты:
- Формируются при аккреции вещества на черную дыру или при коллапсе
массивной звезды.
- Частицы разгоняются до релятивистских скоростей с факторами Лоренца
Γ ~ 100–1000.
- Джеты обеспечивают коллимацию излучения, что объясняет наблюдаемую
высокую яркость и кратковременность ГВ.
Внутриджетные шоки:
- Неоднородности скорости внутри джета приводят к столкновению быстрых
и медленных слоев.
- В результате возникают шоки, ускоряющие частицы и вызывающие
синхротронное и инверсное комптоновское излучение в
гамма-диапазоне.
Внешние шоки:
- Джет сталкивается с окружающей межзвездной средой.
- Формируются ударные волны, которые облучают среду и создают
наблюдаемое после всплесков “послесвечение” в рентгеновском, оптическом
и радиодиапазонах.
Энергетика и релятивистские
эффекты
ГВ представляют собой примеры объектов с экстремальными
физическими условиями:
- Общая энергия: 10⁵¹–10⁵⁴ эрг, что сопоставимо с
массой Солнца, преобразованной в энергию.
- Релятивистское сжатие времени: наблюдаемые
длительности ГВ в лабораторной системе значительно сокращены
относительно времени центрального двигателя из-за эффекта Доплера.
- Коллимация излучения: энергия джета распределяется
в узком угловом конусе, что увеличивает кажущуюся яркость для
наблюдателя на линии взгляда.
Спектральные особенности
ГВ имеют сложный спектр, описываемый чаще всего моделью
Банд-спектра:
- Двойной спектральный индекс с изломом в области ~100–1000 кэВ.
- Наблюдаются как тепловые компоненты (чернотельное излучение от
фотосферы джета), так и нетепловые (синхротрон и инверсное
комптоновское).
- Высокая энергетическая часть спектра отражает ускорение частиц в
релятивистских шоках.
После всплесковое
излучение (afterglow)
После основного всплеска наблюдается послесвечение в
различных диапазонах:
- Радио, оптическое и рентгеновское излучение формируется при
взаимодействии релятивистского джета с внешней средой.
- Изменение светимости во времени следует законам силы L(t) ∼ t−α
с α ≈ 1–2, что подтверждает шоковую природу послесвечения.
- Послесвечение позволяет локализовать ГВ, определить расстояние и
природу источника, а также исследовать среду вокруг компактного
объекта.
Космологическое
значение гамма-всплесков
- ГВ наблюдаются на больших красных смещениях (z > 8), что делает
их инструментом изучения ранней Вселенной.
- Позволяют исследовать процессы формирования массивных звезд и раннюю
химию галактик.
- Служат тестом для релятивистских моделей джетов, механизма аккреции
и экстремальных физических процессов вблизи черных дыр.
Взаимодействие
с другими астрофизическими феноменами
- Связь коротких ГВ с событиями слияния нейтронных
звезд подтверждена наблюдением гравитационных волн и
последующего ГВ (пример: GW170817).
- Длинные ГВ тесно связаны с гиперновыми коллапсами,
формированием сверхновых и генерацией тяжелых элементов.
- Наблюдения ГВ помогают уточнять модели ускорения частиц, магнитных
полей и энерговыделения в релятивистских струях.