Прародичі гамма-спалахів — це типи небесних об'єктів, які можуть випромінювати гамма-спалахи (, GRB).
GRB демонструють надзвичайний ступінь різноманітності. Вони можуть тривати від частки секунди до багатьох хвилин. Спалахи можуть мати один профіль або різко коливатися за інтенсивністю, а їхні спектри дуже мінливі на відміну від інших об'єктів у космосі.
Майже повна відсутність обмежень на спостереження призвела до появи безлічі теорій, включаючи випаровування чорних дір, магнітні спалахи на білих карликах, акрецію матерії на нейтронні зорі, акрецію антиречовини, наднові, гіпернові та швидке вилучення обертальної енергії з надмасивних чорних дір, серед інших.
Існує щонайменше два різних типи попередників (джерел) гамма-сплесків:
Один відповідає за тривалі сплески м'якого спектра; Інший (або, можливо, більше) відповідає за короткочасні сплески жорсткого спектра.
Вважається, що попередниками довгих гамма-спалахів є масивні зорі з низькою металічністю, що вибухають внаслідок колапсу своїх ядер. Вважається, що попередники коротких гамма-спалахів виникають внаслідок злиття компактних подвійних систем, таких як нейтронні зорі, що було підтверджено спостереженням GW170817 за злиттям нейтронної зорі та кілонової.
Довгі гамма-спалахи: масивні зорі
Модель колапсара Станом на 2007 рік у спільноті астрофізиків існує майже повсюдна згода щодо того, що тривалі спалахи пов'язані із загибеллю масивних зір у специфічному типі подій, подібних до наднових, які зазвичай називають колапсаром або гіперновою.
Дуже масивні зорі здатні плавити матеріал у своїх центрах аж до заліза, після чого зоря не може продовжувати генерувати енергію шляхом синтезу та колапсує, у цьому випадку негайно утворюючи чорну діру. Речовина із зорі навколо ядра стікає до центру та (для зір, що швидко обертаються) закручується в акреційний диск високої щільності. Падіння цього матеріалу в чорну діру виштовхує пару струменів вздовж осі обертання, де щільність матерії значно нижча, ніж в акреційному диску, до полюсів зорі зі швидкостями, що наближаються до швидкості світла, створюючи релятивістську ударну хвилю на фронті. Якщо зоря не оточена товстою дифузною водневою оболонкою, матеріал струменів може досягати аж до поверхні зорі.
Провідна ударна хвиля фактично прискорюється зі зменшенням щільності зоряної матерії, крізь яку вона проходить, і до моменту досягнення поверхні зорі вона може рухатися з коефіцієнтом Лоренца 100 або вище (тобто зі швидкістю, що в 0,9999 раза перевищує швидкість світла). Як тільки ударна хвиля досягає поверхні, вона виривається в космос, причому значна частина її енергії вивільняється у вигляді гамма-променів.
Згідно з цією теорією, для того, щоб зоря еволюціонувала аж до гамма-спалаху, необхідні три особливі умови:
Зоря повинна бути дуже масивною (ймовірно, щонайменше 40 мас Сонця на головній послідовності), щоб утворити центральну чорну діру; Зоря повинна швидко обертатися, щоб розвинути акреційний тор, здатний запускати струмені; Зоря повинна мати низьку металічність, щоб позбутися водневої оболонки, аби струмені могли досягти поверхні.
В результаті, гамма-спалахи трапляються набагато рідше, ніж звичайні наднові зі згортанням ядра, для яких потрібно лише, щоб зоря була достатньо масивною, щоб повністю злитися з залізом.
Докази на користь теорії колапсів Цей консенсус значною мірою ґрунтується на двох доказах. По-перше, тривалі гамма-спалахи без винятку виявляються в системах з рясним недавнім зореутворенням, таких як неправильні галактики та рукави спіральних галактик. Це вагомий доказ зв'язку з масивними зорями, які еволюціонують і вмирають протягом кількох сотень мільйонів років і ніколи не зустрічаються в регіонах, де зореутворення давно припинилося. Це не обов'язково доводить модель колапсара (інші моделі також передбачають зв'язок із зореутворенням), але надає значну підтримку.
По-друге, наразі відомо кілька випадків, коли після гамма-спалаху спостерігався вибух наднової. Хоча більшість гамма-сплесків відбуваються на настільки великих відстанях, що сучасні прилади не здатні зареєструвати відносно слабке випромінювання наднової, для систем із малим червоним зміщенням задокументовано кілька випадків, коли через кілька днів після гамма-спалаху спостерігалася поява наднової. Наднові, які вдалося класифікувати, належать до типу Ib/c: рідкісного класу наднових, що виникають унаслідок колапсу ядра. Наднові типів Ib і Ic не мають ліній поглинання водню, що узгоджується з теоретичними моделями зір, які втратили свої водневі оболонки. До гамма-сплесків із найвиразнішими ознаками наднових належать GRB 060218 (SN 2006aj), GRB 030329 (SN 2003dh) та GRB 980425 (SN 1998bw). Крім того, для кількох більш віддалених гамма-сплесків на пізніх стадіях післясвітіння в кривих блиску спостерігаються характерні «виступи», які інтерпретуються як прояв наднових.
Можливі виклики цій теорії з'явилися нещодавно, коли було виявлено двох близьких довгих гамма-спалахів, які не мали ознак жодного типу наднової: як GRB060614, так і GRB 060505 спростували прогнози щодо виникнення наднової, незважаючи на пильне вивчення наземних телескопів. Однак обидві події були пов'язані з активним зореутворенням зоряних популяцій. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що під час колапсу ядра дуже масивної зорі може утворитися чорна діра, яка потім «ковтає» всю зорю, перш ніж вибух наднової зможе досягти поверхні.
Короткі гамма-спалахи: вироджені подвійні системи Короткі гамма-сплески, ймовірно, є винятком. Станом на 2007 рік лише кілька таких подій вдалося локалізувати та пов'язати з конкретними галактиками-господарями. Однак локалізовані короткі гамма-сплески демонструють суттєві відмінності від популяції довгих гамма-сплесків. Хоча принаймні один короткий гамма-сплеск був виявлений у центральній області галактики з активним зореутворенням, кілька інших пов'язані із зовнішніми областями та навіть гало великих еліптичних галактик, у яких процеси зореутворення майже припинилися. Усі ідентифіковані на той час галактики-господарі мали низьке червоне зміщення. Крім того, незважаючи на відносно невеликі відстані до цих об'єктів і детальні подальші спостереження, жоден короткий гамма-сплеск не вдалося пов'язати з вибухом наднової.
Нейтронна зоря та злиття нейтронної зорі з чорною дірою Хоча астрофізична спільнота ще не дійшла єдиної загальноприйнятої моделі походження коротких гамма-сплесків, найбільш поширеною є модель злиття двох компактних об'єктів під дією гравітаційного випромінювання: двох нейтронних зір або нейтронної зорі та чорної діри. Хоча такі події вважаються рідкісними у Всесвіті, у галактиці Чумацький Шлях відома невелика кількість тісних подвійних систем, що складаються з двох нейтронних зір, а також припускається існування подвійних систем, до складу яких входять нейтронна зоря та чорна діра.
Згідно з теорією загальної відносності Ейнштейна, системи такого типу повільно втрачатимуть енергію через гравітаційне випромінювання, і два вироджені об'єкти будуть спірально зближуватися все більше і більше, доки в останні кілька миттєвостей приливні сили не розірвуть нейтронну зорю (або зорі) на частини, і величезна кількість енергії не вивільниться, перш ніж матерія зануриться в єдину чорну діру. Вважається, що весь процес відбувається надзвичайно швидко і повністю завершується протягом кількох секунд, що пояснює короткочасний характер цих сплесків. На відміну від довготривалих спалахів, тут немає звичайної зорі, яка б вибухнула, а отже, немає й наднової.
Ця модель добре узгоджується зі спостережуваним розподілом галактик-господарів коротких гамма-сплесків, які виявляються як у старих галактиках без активного зореутворення (наприклад, GRB 050509B: перший короткий гамма-сплеск, локалізований у ймовірній галактиці-господарі), так і в галактиках, де зореутворення ще триває (наприклад, GRB 050709, тобто другий локалізований короткий гамма-сплеск). Це пояснюється тим, що навіть галактики, які виглядають молодими, можуть містити значну популяцію старих зір. Водночас ця картина ускладнюється спостереженням рентгенівських спалахів у коротких гамма-сплесках через тривалий час після основної події — до кількох днів після неї, тобто значно пізніше, ніж мало б завершитися злиття. Крім того, для деяких коротких гамма-сплесків не вдалося виявити жодної галактики-господаря.
Гігантські спалахи магнетарів Ще однією можливою моделлю, яка може описувати невелику підмножину коротких гамма-спалахів, є так звані гігантські спалахи магнетарів (також звані мегаспалахами або гіперспалахами). Ранні високоенергетичні супутники виявили невелику групу об'єктів у галактичній площині, які часто генерували повторювані спалахи м'якого гамма-випромінювання та жорсткого рентгенівського випромінювання. Оскільки ці джерела повторюються, а вибухи мають дуже м'які (зазвичай теплові) високоенергетичні спектри, їх швидко визнали окремим класом об'єктів від звичайних гамма-спалахів і виключили з подальших досліджень гамма-спалахів.
Однак у рідкісних випадках ці об'єкти, які зараз вважаються надзвичайно намагніченими нейтронними зорями та іноді називаються магнетарами, здатні виробляти надзвичайно яскраві спалахи. Найпотужніша подібна подія, що спостерігалася на сьогоднішній день, гігантський спалах 27 грудня 2004 року, виникла з магнетара SGR 1806-20 і була достатньо яскравою, щоб наситити детектори кожного гамма-супутника на орбіті та значно порушити іоносферу ЗемліHurley et al., 2005. Nature v.434 p.1098, "An exceptionally bright flare from SGR 1806-20 and the origins of short-duration gamma-ray bursts". Хоча така подія все ще значно менш яскрава, ніж «звичайні» гамма-спалахи (короткі чи довгі), її можна було б виявити сучасними космічними апаратами з галактик аж до скупчення Діви, і на цій відстані її було б важко відрізнити від інших типів коротких гамма-спалахів лише на основі кривої блиску. На сьогоднішній день три гамма-спалахи були пов'язані зі спалахами SGR у галактиках за межами Чумацького Шляху: GRB 790305b у Великій Магеллановій Хмарі, GRB 051103 з M81 та GRB 070201 з M31Frederiks 2008.
Різноманітність походження довгих гамма-спалахів Спостереження, отримані за допомогою HETE II та Swift, показують, що тривалі гамма-сплески можуть відбуватися як у супроводі наднових, так і без них, а також можуть мати або не мати виражених рентгенівських післясвітінь. Це свідчить про різноманітність можливих механізмів походження довгих гамма-сплесків, зокрема всередині та за межами областей активного зореутворення, які в інших аспектах можуть мати спільний внутрішній механізм. Таким чином, часовий масштаб гамма-сплесків тривалістю в десятки секунд, імовірно, визначається властивостями їхнього внутрішнього механізму, наприклад процесами, пов'язаними з в'язкістю або дисипацією енергії.
Найпотужнішими транзиторними джерелами зоряної маси є вищезгадані попередники (колапсари та злиття компактних об'єктів), усі з яких створюють обертові чорні діри, оточені уламками у формі акреційного диска або тора. Обертова чорна діра несе спінову енергію в кутовому моменті як і дзиґа:
де і позначаємо момент інерції та кутову швидкість чорної діри у тригонометричному виразі van Putten, M.H.P.M., 1999, Science, 284, 115 для питомого кутового моменту чорної діри Керра маси . За відсутності малого параметра добре відомо, що спінова енергія чорної діри Керра може досягати значної частки (29%) від її загальної маси-енергії. , таким чином маючи потенціал живити найвизначніші тимчасові джерела в небі. Особливий інтерес викликають механізми виникнення нетеплового випромінювання гравітаційним полем обертових чорних дір у процесі обертання відносно їхнього оточення у вищезгаданих сценаріях.