Gamma-uitbarstingen (GRB): definitie, oorzaken en gevolgen
Gamma-uitbarstingen (GRB's): begrijp definitie, oorzaken (supernova's, neutronenfusies) en gevolgen voor het heelal en Aarde. Ontdek hoe deze meest energieke kosmische explosies werken.
Gamma-uitbarstingen (GRB's) zijn korte, zeer felle flitsen van gammastralen die ontstaan bij extreem energetische explosies ver weg in het heelal. Ze worden waargenomen in verre melkwegstelsels en behoren tot de meest lichtgevende elektromagnetische gebeurtenissen die we kennen.
Duur en nagloeiing
De duur van GRB's varieert sterk: van milliseconden tot enkele minuten. Een typische uitbarsting duurt echter slechts enkele seconden. De korte, intense gammapiek wordt meestal gevolgd door een langerdurende 'nagloeiing' (afterglow) bij langere golflengten, zoals röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood en radiogolven. Die nagloeiing ontstaat wanneer de uitgestoten deeltjesbotsingen met het interstellaire medium produceren, en maakt het mogelijk om de bron nauwkeuriger te lokaliseren en te bestuderen.
Oorzaken en fysische mechanismen
De meeste lange GRB's ontstaan wanneer een zware, snel roterende ster instort tot een zwart gat in een proces dat vaak samenhangt met een krachtige supernova. Tijdens die instorting worden smalle, zeer energetische jets gevormd die vrijwel lichtsnelheid bereiken; als één van die jets naar de aarde gericht is, zien we een GRB. Binnen die jets spelen interne en externe schokken en versnelde elektronen die synchrotronstraling uitsturen een belangrijke rol bij het produceren van de gammastraling en de nagloeiing.
Een belangrijke subklasse zijn de zogenaamde 'korte' GRB's (duur meestal minder dan ~2 seconden). Die lijken afkomstig van een ander type gebeurtenis, bijvoorbeeld de fusie van twee binaire neutronensterren of van een neutronenster en een zwart gat. Zulke fusies zijn in 2017 bevestigd als bron van (kortere) GRB's toen de gebeurtenis GW170817 zowel gravitatieve golven als een korte GRB en een bijbehorende kilonova produceerde.
Classificatie
GRB's worden in de praktijk vaak in twee hoofdgroepen verdeeld: lange GRB's (typisch >2 s) en korte GRB's (<2 s). Deze indeling is gebaseerd op duur en spectrale eigenschappen, maar binnen elke groep bestaat variatie. Andere classificaties houden rekening met spectra, herhaling (zeldzaam) en omgevingskenmerken.
Afstand, energie en frequentie
De bronnen van de meeste waargenomen GRB's liggen op kosmologische afstanden: miljarden lichtjaren van de aarde. Dit wijst erop dat het om extreem energierijke gebeurtenissen gaat. Een eenvoudige vergelijking is dat een typische GRB in enkele seconden evenveel energie kan uitstralen als de zon in haar hele levensduur van ongeveer 10 miljard jaar — al geldt dat voor de zogenaamde isotrope-equivalente energie; omdat de emissie sterk in jets gebundeld is, is de totale uitgestraalde energie lager wanneer de bundeling wordt meegerekend.
GRB's zijn zeldzaam: ruwweg een paar per melkwegstelsel per miljoen jaar wordt vaak genoemd. Omdat de straling gebundeld is, zien we er relatief weinig vanaf de aarde.
Waarneming en wetenschappelijke betekenis
Alle waargenomen kosmische GRB's komen van buiten het Melkwegstelsel. Binnen onze eigen Melkweg komen wel verschijnselen voor die op kleinere schaal gamma-uitbarstingen geven, zoals zachte gammarepeaters, die geassocieerd worden met magnetars (zeer sterk magnetische neutronensterren). Observatoria in baan om de aarde en op de grond — bijvoorbeeld BATSE (vroeger), Swift en Fermi — hebben de studie van GRB's sterk vooruit geholpen door snelle lokalisatie en bredere spectrale dekking. De nagloeiing maakt het mogelijk om gaststelsels te identificeren en de roodverschuiving van de bron te meten, waardoor GRB's ook gebruikt worden als probes van vroege kosmologische tijden.
Gevolgen en risico's voor de Aarde
Er is gesuggereerd dat een krachtige gammastraaluitbarsting binnen de Melkweg schadelijke effecten op de Aarde zou kunnen veroorzaken, bijvoorbeeld het aantasten van de ozonlaag en daarmee veranderingen in het klimaat of massale uitsterving van soorten. Er is echter geen bewijs dat een dergelijk gebeurtenis in onze recente geologische geschiedenis heeft plaatsgevonden. Het risico op korte termijn is klein omdat zulke gebeurtenissen zeldzaam zijn en bovendien moeten ze in onze richting gebundeld zijn om ernstige gevolgen te hebben.
Extra onderwerpen van belang
- Beaming: omdat de emissie in nauwe jets plaatsvindt, overschatten eenvoudige isotrope berekeningen de uitgestraalde energie; de werkelijke energie kan orders van grootte lager zijn.
- Relatie met zware elementen: neutronensterrenfusies (kilonova's) worden gezien als belangrijke productielocaties voor zware elementen via het r-proces (zoals goud en platina).
- Multimessenger-astronomie: de combinatie van gammastraling, optische nagloed, gravitationele golven en mogelijk neutrinos geeft diepere inzichten in fysische processen bij fusies en collapsars.
Samenvattend zijn GRB's extreem energetische, kosmologische explosies die belangrijke informatie leveren over stervorming, sterEvolutie, zware-elementproductie en de vroegste fasen van het heelal, terwijl ze tegelijk zeldzame maar potentieel ernstige lokale bedreigingen zouden kunnen vormen als ze dichtbij en naar ons gericht zouden optreden.
Illustratie van de kunstenaar van een heldere gammastraaluitbarsting die zich voordoet in een stervormend gebied. De energie van de explosie wordt in twee smalle, tegengesteld gerichte stralen gestraald.
Geschiedenis
Gamma-uitbarstingen werden voor het eerst waargenomen in de late jaren 1960 door de Amerikaanse Vela-satellieten, die werden gebouwd om gammastralingspulsen te detecteren die werden uitgezonden door kernwapens die in de ruimte werden getest.
Op 2 juli 1967, om 14:19 UTC, ontdekten de Vela 4 en Vela 3 satellieten een flits van gammastraling in tegenstelling tot alle bekende kernwapens. Omdat het team van het wetenschappelijk laboratorium van Los Alamos niet zeker was van wat er was gebeurd, maar de zaak niet bijzonder urgent achtte, legde het de gegevens voor onderzoek neer.
Door het analyseren van de verschillende aankomsttijden van de uitbarstingen zoals gedetecteerd door verschillende satellieten, was het team in staat om ruwe schattingen voor de hemelposities van zestien uitbarstingen12-16 te bepalen en een aardse of zonnige oorsprong definitief uit te sluiten. De ontdekking werd gepubliceerd in 1973.
Posities aan de hemel van alle gammastraaluitbarstingen die tijdens de BATSE-missie zijn gedetecteerd. De verdeling is willekeurig, zonder concentratie naar het vlak van de Melkweg, dat horizontaal door het centrum van het beeld loopt.
Lange gammastraaluitbarstingen
De meeste geobserveerde gebeurtenissen duren langer dan twee seconden en worden geclassificeerd als lange gammastraaluitbarstingen. Ze zijn veel gedetailleerder bestudeerd dan hun korte tegenhangers. Bijna elke goed bestudeerde lange gammastraaluitbarsting is in verband gebracht met een snel stervormend sterrenstelsel en in veel gevallen ook met een supernova die in elkaar stort. Dit verbindt lange GRB's met de dood van massieve sterren. De lange GRB nagloeiingswaarnemingen bij hoge roodverschuiving (grote afstanden) suggereren ook dat GRBs in stervormige gebieden ontstaan. Dit komt omdat het observeren van verre melkwegstelsels is om terug te kijken in de tijd naar melkwegstelsels in een eerder stadium.
Energetica
Gammastraaluitbarstingen worden beschouwd als zeer gerichte explosies, waarbij het grootste deel van de ontploffingsenergie in een smalle relativistische straal met snelheden van meer dan 99,995% van de lichtsnelheid wordt verplaatst.
De geschatte hoekbreedte van de straal (d.w.z. de stralingsgraad) kan direct worden ingeschat door het waarnemen van "straalbreuken" in de nagloei-lichtkrommen: een tijd waarna de langzaam afstervende nagloeiing plotseling begint te vervagen, omdat de straal zijn straling vertraagt en niet meer zo effectief kan uitstralen. Waarnemingen suggereren een aanzienlijke variatie in de straalhoek tussen 2 en 20 graden.
Omdat hun energie sterk wordt gestraald (zeer smal), missen de gammastralen die door de meeste uitbarstingen worden uitgestraald de aarde en worden ze nooit gedetecteerd. Wanneer een gammastraaluitbarsting op de Aarde gericht is, zorgt de focus van zijn energie langs een relatief smalle straal ervoor dat de uitbarsting veel helderder lijkt dan wanneer de energie sferisch zou zijn uitgezonden. Wanneer dit effect in aanmerking wordt genomen, worden typische gammastraaluitbarstingen waargenomen met een werkelijke energieafgifte van ongeveer 1044 J, of ongeveer 1/2000 van een Zonne-energie-equivalent.
Dit is vergelijkbaar met de energie die vrijkomt in een heldere supernova van het type Ib/c (ook wel 'hypernova' genoemd). Zeer heldere supernova's zijn gezien op de positie van enkele van de dichtstbijzijnde GRBs.
Vragen en antwoorden
V: Wat zijn gammastraaluitbarstingen?
A: Gammastraaluitbarstingen (GRB's) zijn flitsen van gammastralen van extreem energetische explosies.
V: Hoe lang duren GRB's meestal?
A: GRB's kunnen milliseconden tot enkele minuten duren, hoewel een typische uitbarsting enkele seconden duurt.
V: Wat is de bron van de meeste GRB's?
A: De meeste GRB's zijn een smalle straal van intense straling die vrijkomt bij een supernova, wanneer een enorme, snel draaiende ster ineenstort tot een zwart gat.
V: Waar komen de meeste waargenomen GRB's vandaan?
A: Alle waargenomen GRB's komen van buiten het Melkwegstelsel.
V: Hoeveel energie komt er bij een gemiddelde uitbarsting vrij?
A: Bij een typische uitbarsting komt in een paar seconden evenveel energie vrij als bij de zon in haar hele levensduur van 10 miljard jaar.
V: Hoe zeldzaam zijn GRB's?
A: Ze zijn zeer zeldzaam (een paar per melkwegstelsel per miljoen jaar).
V: Kunnen gammastraaluitbarstingen in ons eigen melkwegstelsel gevaar opleveren?
A: Er is gesuggereerd dat een gammastraaluitbarsting in de Melkweg een massa-extinctie op aarde zou kunnen veroorzaken, maar een dergelijk geval is niet bekend.
Zoek in de encyclopedie