Exploziile de raze gamma (Gamma-Ray Bursts, GRB) reprezintă unele dintre cele mai spectaculoase și enigmatice fenomene din cosmos. Aceste evenimente sunt caracterizate prin eliberarea bruscă și extrem de intensă de radiație gamma – cea mai energetică formă de lumină – într-un interval de timp foarte scurt, de la câteva milisecunde până la câteva minute. Deși rare și greu de observat, exploziile de raze gamma oferă indicii esențiale despre formarea găurilor negre, moartea stelelor masive și dinamica universului timpuriu.
Fenomenul a fost descoperit în 1967, când sateliții americani Vela, lansați pentru a monitoriza respectarea Tratatului asupra Interzicerii Testelor Nucleare, au detectat semnale neobișnuite de radiație gamma provenind din spațiul cosmic. La început, originea acestor explozii a fost un mister, dar ulterior s-a stabilit că ele provin din regiuni foarte îndepărtate ale universului, la miliarde de ani-lumină de Pământ.
Exploziile de raze gamma sunt împărțite, în general, în două mari categorii:
- GRB de lungă durată, care durează mai mult de două secunde și sunt asociate cu colapsul stelelor masive (hipernove);
- GRB de scurtă durată, care durează sub două secunde și sunt legate de fuziunea a două obiecte compacte, precum două stele neutronice sau o stea neutronică și o gaură neagră.
Această clasificare este susținută de observațiile efectuate de telescoape orbitale precum Swift, Fermi și INTEGRAL, care au permis astronomilor să coreleze semnalele gamma cu sursele optice și radio corespunzătoare.
Mecanismul fizic al exploziilor
Originea fizică a acestor explozii este legată de formarea bruscă a unei găuri negre sau a unei stele neutronice extrem de masive. În cazul exploziilor de raze gama cu durată lungă, o stea cu o masă de cel puțin 30 de ori mai mare decât cea a Soarelui își epuizează combustibilul nuclear, iar nucleul său colapsează gravitațional. Acest colaps generează o gaură neagră centrală care, printr-un proces numit acreție (căderea materiei în jurul nucleului), lansează două jeturi înguste de plasmă la viteze apropiate de cea a luminii.
Energia totală eliberată într-o astfel de explozie poate depăși, pentru scurt timp, energia combinată a tuturor stelelor dintr-o galaxie. În ciuda intensității sale, radiația emisă este extrem de direcționată, ceea ce explică de ce doar o mică parte dintre aceste evenimente ajung să fie detectate de pe Pământ.
În cazul exploziilor de raze gamma cu durată scurtă, fuziunea a două stele neutronice produce o cantitate uriașă de energie, eliberată sub formă de raze gamma și unde gravitaționale. Astfel de evenimente sunt considerate surse ale kilonovelor, explozii care produc elemente grele precum aurul și platina.
Detectarea și studiul exploziilor de raze gamma
Datorită duratei lor extrem de scurte, detectarea exploziilor de raze gamma necesită sateliți specializați. Misiunile Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), Swift și Fermi Gamma-ray Space Telescope au revoluționat înțelegerea acestor fenomene.
După detectarea inițială a unei explozii gamma, telescopul se reorientează automat pentru a observa post-strălucirea (afterglow) în alte regiuni ale spectrului electromagnetic – în domeniul optic, radio și infraroșu. Aceste observații permit identificarea galaxiei-gazdă și măsurarea distanței prin efectul de deplasare spre roșu (redshift).
Prin analiza luminii emise și a compoziției gazelor din jurul sursei, astronomii pot deduce proprietățile mediului interstelar și chiar perioada cosmică în care a avut loc evenimentul. Unele explozii de raze gamma provin din epoci foarte timpurii ale universului, la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang, ceea ce le transformă în sonde cosmologice de excepție.
Exemple de explozii de raze gamma celebre
GRB 970228 – detectată pe 28 februarie 1997, este primul eveniment pentru care s-a identificat un afterglow optic, confirmând originea extragalactică a fenomenului. Aceasta a reprezentat un punct de cotitură în studiul exploziilor de raze gamma.
GRB 030329 – observată în 29 martie 2003, a fost una dintre cele mai luminoase explozii înregistrate vreodată și a fost asociată cu o supernovă de tip Ic (SN 2003dh). Această legătură directă între o supernovă și o explozie de raze gamma a consolidat ipoteza că exploziile de raze gamma de lungă durată provin din colapsul stelelor masive.
GRB 090423 – detectată de satelitul Swift în 2009, provine de la o distanță imensă, corespunzătoare unui deplasări spre roșu de aproximativ 8,2. Aceasta înseamnă că evenimentul a avut loc la doar 630 de milioane de ani după Big Bang, făcându-l unul dintre cele mai îndepărtate evenimente cosmice observate.
GRB 170817A – observată în 2017, a fost prima explozie de raze gamma de scurtă durată detectată concomitent cu unde gravitaționale, generate de fuziunea a două stele neutronice (evenimentul GW170817). Această descoperire a marcat începutul unei noi ere în astrofizica multi-mesager, combinând radiația electromagnetică și undele gravitaționale pentru a studia același fenomen.
GRB 221009A – numită informal „BOAT” (Brightest Of All Time), observată în octombrie 2022, a fost cea mai strălucitoare explozie gamma detectată vreodată. S-a estimat că energia emisă a fost de ordinul a 1.0 × 1047 W, iar evenimentul a produs perturbații în ionosfera Pământului, demonstrând puterea extraordinară a acestor explozii.
Importanța științifică și implicațiile cosmologice
Studiul exploziilor de raze gamma are implicații profunde în mai multe domenii ale astrofizicii. În primul rând, ele ajută la înțelegerea procesului de formare a găurilor negre și a stelelor neutronice. În al doilea rând, exploziile de raze gamma pot fi folosite ca faruri cosmice, permițând măsurarea expansiunii universului și analiza mediului intergalactic la mari distanțe.
În plus, cercetările privind compoziția materiei ejectate rezultate ]n urma exploziilor de raze gamma contribuie la explicarea originii elementelor grele din univers, completând scenariul nucleosintezei stelare. În fine, detectarea simultană a undelor gravitaționale și a semnalelor gamma confirmă legătura profundă dintre relativitatea generală și fizica nucleară extremă.