آليات انبعات انفجار أشعة جاما

آليات انبعاث انفجار أشعة جاما هي نظريات تشرح كيفية تحويل الطاقة من سلف انفجار أشعة جاما (بغض النظر عن الطبيعة الفعلية للسلف) إلى إشعاع. تعتبر هذه الآليات موضوعًا رئيسيًا للبحث اعتبارًا من عام 2007. لا تظهر منحنيات الضوء ولا أطياف الوقت المبكر من GRBs أي تشابه مع الإشعاع المنبعث من أي عملية فيزيائية مألوفة.

مشكلة الاكتناز

لقد كان معروفًا منذ سنوات عديدة أن طرد المادة بسرعات نسبية (سرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء) يعد مطلبًا ضروريًا لإنتاج الانبعاث في انفجار أشعة جاما. تختلف GRBs في مثل هذه النطاقات الزمنية القصيرة (مثل الميلي ثانية) بحيث يجب أن يكون حجم منطقة الانبعاث صغيرًا جدًا ، وإلا فإن التأخير الزمني بسبب السرعة المحدودة للضوء سوف "يشوه" الانبعاث في الوقت المناسب ، ويمحو أي وقت قصير -سلوك الجدول الزمني. في الطاقات المتضمنة في GRB النموذجي ، فإن الكثير من الطاقة المحشورة في مثل هذا الفضاء الصغير من شأنه أن يجعل النظام معتمًا لإنتاج زوج من الفوتون والفوتون ، مما يجعل الاندفاع أقل سطوعًا ويعطيه أيضًا طيفًا مختلفًا تمامًا عما يتم ملاحظته. ومع ذلك ، إذا كان النظام الباعث يتحرك نحو الأرض بسرعات نسبية ، فإن الاندفاع ينضغط في الوقت المناسب (كما يراه مراقب الأرض ، بسبب تأثير دوبلر النسبي) وتصبح منطقة الانبعاث المستنتجة من السرعة المحدودة للضوء أصغر بكثير من الحجم الحقيقي لـ GRB (انظر الإشعاع النسبي).

GRBs والصدمات الداخلية

يتم فرض قيود ذات صلة من خلال النطاقات الزمنية النسبية التي تظهر في بعض الرشقات بين تغير النطاق الزمني القصير والطول الإجمالي لـ GRB. غالبًا ما يكون هذا النطاق الزمني المتغير أقصر بكثير من الطول الإجمالي للرشقة. على سبيل المثال ، في رشقات نارية تصل مدتها إلى 100 ثانية ، يمكن إطلاق غالبية الطاقة في حلقات قصيرة تقل مدتها عن ثانية واحدة. إذا كانت GRB بسبب تحرك المادة نحو الأرض (كما تفرض حجة الحركة النسبية) ، فمن الصعب أن نفهم سبب إطلاقها لطاقتها في مثل هذه الفواصل القصيرة. التفسير المقبول عمومًا لذلك هو أن هذه الانفجارات تنطوي على اصطدام قذائف متعددة تتحرك بسرعات مختلفة قليلاً ؛ ما يسمى ب "الصدمات الداخلية". [1] يؤدي اصطدام غلافين رفيعين إلى تسخين المادة ، مما يؤدي إلى تحويل كميات هائلة من الطاقة الحركية إلى حركة عشوائية للجسيمات ، مما يؤدي إلى تضخيم الطاقة بشكل كبير بسبب جميع آليات الانبعاث. لا تزال الآليات الفيزيائية التي تلعب دورًا في إنتاج الفوتونات المرصودة موضع نقاش ، ولكن يبدو أن المرشحين الأكثر ترجيحًا هم إشعاع السنكروترون وتشتت كومبتون العكسي.

اعتبارًا من عام 2007 ، لا توجد نظرية نجحت في وصف طيف جميع تدفقات أشعة جاما (على الرغم من أن بعض النظريات تعمل لمجموعة فرعية). ومع ذلك ، فإن ما يسمى بوظيفة النطاق (التي سميت على اسم ديفيد باند) كانت ناجحة إلى حد ما في تركيب أطياف معظم انفجارات أشعة جاما بشكل تجريبي

أظهر عدد قليل من رشقات أشعة جاما دليلاً على وجود مكون انبعاث إضافي متأخر عند طاقات عالية جدًا (GeV وأعلى). تستدعي إحدى النظريات عن هذا الانبعاث تشتت كومبتون المعكوس. إذا انفجر أحد أسلاف GRB ، مثل نجم Wolf-Rayet ، داخل مجموعة نجمية ، فإن موجة الصدمة الناتجة يمكن أن تولد أشعة جاما عن طريق تشتيت الفوتونات من النجوم المجاورة. حوالي 30 ٪ من نجوم ولف رايت المجرية المعروفة ، تقع في مجموعات كثيفة من نجوم O مع حقول إشعاع فوق بنفسجي مكثفة ، ويشير نموذج Collapsar إلى أن نجوم WR من المحتمل أن تكون من أسلاف GRB. لذلك ، من المتوقع أن يحدث جزء كبير من GRBs في مثل هذه المجموعات. عندما تتباطأ المادة النسبية المنبثقة من الانفجار وتتفاعل مع فوتونات الأطوال الموجية فوق البنفسجية ، تكتسب بعض الفوتونات الطاقة ، وتولد أشعة جاما

التوهجات والصدمات الخارجية

إن GRB نفسه سريع للغاية ، ويستمر من أقل من ثانية إلى بضع دقائق على الأكثر. وبمجرد اختفائه ، فإنه يترك وراءه نظيره بأطوال موجية أطول (الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء والراديو) المعروفة باسم الشفق [3] والتي تظل قابلة للاكتشاف عمومًا لأيام أو أطول.

على عكس انبعاثات GRB ، لا يُعتقد أن انبعاث الشفق اللاحق تهيمن عليه الصدمات الداخلية. بشكل عام ، كانت كل المواد المقذوفة بحلول هذا الوقت قد اندمجت في غلاف واحد يسافر للخارج في الوسط بين النجمي (أو ربما الرياح النجمية) حول النجم. في الجزء الأمامي من هذه القشرة من المادة توجد موجة صدمة يشار إليها باسم "الصدمة الخارجية" [4] حيث أن المادة التي لا تزال تتحرك نسبيًا تتدفق في الغاز بين النجمي الضعيف أو الغاز المحيط بالنجم.

عندما تتحرك المادة البينجمية عبر الصدمة ، يتم تسخينها على الفور إلى درجات حرارة قصوى. (لا تزال كيفية حدوث ذلك غير مفهومة جيدًا اعتبارًا من عام 2007 ، نظرًا لأن كثافة الجسيمات عبر موجة الصدمة منخفضة جدًا لتكوين موجة صدمة مماثلة لتلك المألوفة في البيئات الأرضية الكثيفة - لا يزال موضوع "الصدمات غير المتصاعدة" فرضية إلى حد كبير ولكن يبدو لوصف عدد من المواقف الفيزيائية الفلكية بدقة. من المحتمل أن تكون المجالات المغناطيسية متورطة بشكل حاسم.) هذه الجسيمات ، التي تتحرك نسبيًا الآن ، تواجه مجالًا مغناطيسيًا محليًا قويًا ويتم تسريعها بشكل عمودي على المجال المغناطيسي ، مما يجعلها تشع طاقتها عبر إشعاع السنكروترون.

إن إشعاع السنكروترون مفهوم جيدًا ، وقد تم نمذجة طيف الشفق اللاحق بنجاح إلى حد ما باستخدام هذا القالب. تهيمن عليه الإلكترونات (التي تتحرك وبالتالي تشع أسرع بكثير من البروتونات والجسيمات الأخرى) لذلك يتم تجاهل الإشعاع من الجسيمات الأخرى بشكل عام.

بشكل عام ، يفترض GRB شكل قانون القوة مع ثلاث نقاط فاصل (وبالتالي أربعة مقاطع مختلفة لقانون القوة.) أدنى نقطة فاصل

كما ، يتوافق مع التردد الذي تحته يكون GRB معتمًا للإشعاع ومن ثم يصل الطيف إلى شكل ذيل Rayleigh-Jeans لإشعاع الجسم الأسود. النقطتان الأخريتان ،

منعشة الصدمات والتوهجات في وقت متأخر

يمكن أن تكون هناك الصدمات "محدثة" إذا استمر المحرك المركزي في إطلاق مادة سريعة الحركة بكميات صغيرة حتى في الأوقات المتأخرة ، فإن هذه الصدمات الجديدة ستلحق بالصدمات الخارجية لتنتج شيئًا مثل الصدمة الداخلية المتأخرة. تم استدعاء هذا التفسير لشرح التوهجات المتكررة التي تُرى في الأشعة السينية وعلى أطوال موجية أخرى في العديد من الدفقات ، على الرغم من أن بعض المنظرين غير مرتاحين للطلب الواضح بأن يظل السلف (الذي يعتقد المرء أنه سيتم تدميره بواسطة GRB) نشطًا من أجل طويل جدا

تأثيرات النفاثة

يُعتقد أن انبعاث أشعة جاما يتم إطلاقه في نفاثات وليس في قذائف كروية. في البداية ، يكون السيناريوهان متكافئين: مركز الطائرة ليس "على دراية" بالحافة النفاثة ، وبسبب الإشعاع النسبي ، لا نرى سوى جزء صغير من الطائرة. ومع ذلك ، مع تباطؤ الطائرة ، يحدث شيئان في النهاية (كل منهما في نفس الوقت تقريبًا): أولاً ، تنتشر المعلومات من حافة الطائرة التي تفيد بعدم وجود ضغط على الجانب إلى مركزها ، ويمكن للمادة النفاثة أن تنتشر بشكل جانبي . ثانيًا ، تهدأ تأثيرات الإشعاع النسبية ، وبمجرد أن يرى مراقبو الأرض التدفق الكامل ، لا يتم تعويض اتساع الحزمة النسبية بحقيقة أننا نرى منطقة انبعاث أكبر. بمجرد ظهور هذه التأثيرات ، يتلاشى التدفق بسرعة كبيرة ، وهو تأثير يمكن رؤيته على أنه "كسر" لقانون القوة في منحنى ضوء الشفق. هذا هو ما يسمى ب "كسر النفاثة" الذي شوهد في بعض الأحداث وغالبًا ما يتم الاستشهاد به كدليل على وجهة نظر الإجماع على طائرات GRBs كطائرات. لا تعرض العديد من الشفق اللاحق GRB فواصل نفاثة ، خاصة في الأشعة السينية ، لكنها أكثر شيوعًا في منحنيات الضوء البصري. على الرغم من أن الانكسارات النفاثة تحدث بشكل عام في أوقات متأخرة جدًا (حوالي يوم واحد أو أكثر) عندما يكون الشفق اللاحق خافتًا تمامًا ، وغالبًا ما يكون غير قابل للكشف ، فإن هذا ليس مفاجئًا بالضرورة.

انقراض الغبار وامتصاص الهيدروجين

قد يكون هناك غبار على طول خط الرؤية من GRB إلى الأرض ، سواء في المجرة المضيفة أو في مجرة درب التبانة. إذا كان الأمر كذلك ، فسيتم تخفيف الضوء وإحمراره وقد يبدو طيف الشفق اللاحق مختلفًا تمامًا عن ذلك النموذج.

عند الترددات العالية جدًا (الأشعة فوق البنفسجية البعيدة والأشعة السينية) ، يصبح غاز الهيدروجين بين النجوم ماصًا مهمًا. على وجه الخصوص ، يكون الفوتون الذي يقل طوله الموجي عن 91 نانومترًا نشطًا بما يكفي لتأين الهيدروجين المحايد تمامًا ويتم امتصاصه باحتمال 100٪ تقريبًا حتى من خلال سحب الغاز الرقيقة نسبيًا. (في الأطوال الموجية الأقصر بكثير ، يبدأ احتمال الامتصاص في الانخفاض مرة أخرى ، وهذا هو السبب في أن الشفق اللاحق للأشعة السينية لا يزال قابلاً للاكتشاف.) ونتيجة لذلك ، غالبًا ما تنخفض أطياف GRBs ذات الانزياح الأحمر العالي جدًا إلى الصفر عند أطوال موجية أقل من تلك الموجودة في المكان الذي يوجد فيه هذا ستكون عتبة تأين الهيدروجين (المعروفة باسم كسر ليمان) في الإطار المرجعي لمضيف GRB. تُرى أيضًا ميزات امتصاص الهيدروجين الأخرى الأقل دراماتيكية بشكل شائع في GRBs عالية z ، مثل غابة ألفا ليمان.