התפרצות גמא

התפרצות גמא היא תופעה קוסמולוגית שבמהלכה משתחררת בחלל כמות אדירה של קרינת גמא הנפלטת בתהליך של התפרקות רדיואקטיבית. התפרצויות גמא מהוות את האירועים האנרגטיים ביותר הידועים כיום, להוציא את המפץ הגדול. תצפיות מעידות על ממוצע של התפרצות גמא אחת ליום, אך קיימת ההשערה כי מספר ההתפרצויות הכולל ליום עומד על כ-500, אך רק אחוז אפסי מהן ניתן לצפייה בשל כיוונן ומבנן הסילוני הדק. פיזור ההתפרצויות במרחב הוא אקראי ואינו ניתן לחיזוי, ומשך ההתפרצויות הוא בין שבריר שנייה לדקות ספורות.
התפרצויות הגמא הן אחת החידות בקוסמולוגיה של ימינו. חוסר היכולת לחזות את מיקומן של ההתפרצויות ומשכן הקצר לא אפשרו משך שנים לצפות בהן בזמן אמת ולחקרן.

הבזק משנה (Afterglow)

לאחר שהתפרצות הגמא כבר התרחשה, עדיין ניתן לראות את ההתפרצות באורכי גל נמוכים מגמא, תהליך זה של פליטת הגלים ה"חלשים" או הפחות אנרגטיים נקרא הבזק משנה. כאשר כוכב מאסיבי קורס ויוצר סופר נובה, הוא מעיף אטומים שונים, בעצם חומר, לכל עבר. כאשר החומר פוגש שדה מגנטי או חומר אחר, הוא מפיק קרניים בכל מני אורכים (רנטגן, רדיו, אור נראה וכו'). קרני הגמא מיוחסות להתפרצות הגמא עצמה ושאר הקרניים באורכים השונים מיוחסים להתפרצויות המשנה. ככל שהבזק המשנה ממשיך לנוע ואוסף איתו עוד חומר, כך הוא מאט ולבסוף נעלם. את רוב המידע שלנו על התפרצויות הגמא אנו אוספים מהבזקי המשנה ולא מההתפרצויות עצמן.

המחקר על קרני הגמא

התפרצויות הגמא נצפו לראשונה על ידי לווייני vela של ארצות הברית בשלהי שנות השישים. הלוויינים, ששוגרו במטרה לפקח על ההסכם בין ארצות הברית לברית המועצות לאי עריכת ניסויים גרעיניים, היו אמורים לגלות פליטה של קרני גמא האופיינית לניסויים בנשק גרעיני. תחת ניסויים גרעיניים גילו הלוויינים התפרצויות אקראיות ולא מובנות של קרינת גמא שמקורן בחלל. בגלל אופיים הצבאי של הלוויינים נשמרו גילויים אלו בסוד משך תקופה ארוכה.
עד תחילת שנות התשעים לא הצליחו המדענים להכריע אם ההתפרצויות מתרחשות בתוך הגלקסיה שלנו או מחוצה לה. באפריל 1991 שוגר לחלל על ידי נאס"א, הלוויין "Compton Gamma Ray Observatory". הלוויין אישש את ההשערה שהתפרצויות מתרחשות מחוץ לשביל החלב; כמו כן הביא להבחנה בין התפרצויות ארוכות (שאורכן מעל 2 שניות) להתפרצויות קצרות (מתחת ל-2 שניות), השונות במהותן.
על סמך המידע שסיפקו לוויינים נבנו מודלים שונים העוסקים בקרינת גמא. רוב המודלים ניבאו את קיומו של afterglow - התפרצות משנית של קרינת רנטגן ואור נראה העוקבת להתפרצות גמא. בסוף 1996 אישש הלוויין האיטלקי-גרמני BeppoSAX ששוגר לחלל את קיומן של התפרצויות המשך של קרינת רנטגן (קרינת X); בנוסף היה באפשרותו לחשב במהירות את המיקום המדויק של ההתפרצות ולשדר את הנתונים לטלסקופים בכדור הארץ. טלסקופים אלה, שאינם יכולים לצפות ישירות בקרינת רנטגן מפני שהאטמוספירה מסננת את רובה, גילו קרינת המשך גם בטווח האור הנראה. הודות לכוונון המהיר של טלסקופים בכדור הארץ לעבר ההתפרצות, הצליחו לראשונה אסטרונומים לשייך את ההתפרצויות לגלקסיות עמומות המצויות בקצווי היקום.
ב-2004 שוגר לחלל טלסקופ המחקר סוויפט של נאס"א. לוויין מתוחכם זה הצליח ללקט מידע גם על התפרצויות קצרות. לוויינים קודמים לא הצליחו לגלות הרבה על ההתפרצויות הללו בשל משכן הקצר. "סוויפט" גילה פליטת המשך של קרינת רנטגן גם בהתפרצויות הקצרות.
שטף האנרגיה העצום והתצפיות המלמדות על התפשטות חומר במהירויות קרובות למהירות האור, הביאו את התאורטיקנים למסקנה שהאפשרות היחידה להסבר התופעה היא פרץ סילוני האופייני לקריסת חומר לחור שחור. מקורן של התפרצויות ארוכות הוא לפי תאוריה זו בכוכבים שליבתם קרסה לחור שחור. היות שמעטפת כוכבים אלו מסתחררת סביב עצמה, היא צפויה ליצור סביב הליבה הילה גזית דמוית טורוס, שאמצעיתה רדודה ושוליה עבים (שכן התנע הזוויתי חלש מאוד בקטבים וחזק מאוד לאורך קו המשווה). כתוצאה מכך שטף האנרגיה נפלט עם הקריסה משני הקטבים, בשתי אלומות סילוניות צרות. אם כיוון האלומה מתאים, היא תגיע לכדור הארץ וניתן יהיה לצפות בה.
ההתפרצויות הקצרות, לעומת זאת, הן סילוני אנרגיה המתפרצים כשמערכת כפולה של כוכבי נייטרונים קורסת והכוכבים מתנגשים זה בזה.
בשנת 2019 התגלה כיצד נטענים חלקיקי האור בכמויות אנרגיה כה גדולות, ומאמר בכתב העת המדעי The Astrophysical Journal  הציג לראשונה את המנגנון האסטרופיזיקלי שמאפשר את היווצרות הקרניים רבות העוצמה הללו.

אופן פעולת הלוויינים

הלוויין (לדוגמה פרמי-Fermi): אשר קולט את קרינת השמיים אליהם הוא צופה קולט באופן מתמיד קרינת רקע קוסמית, כאשר הלוויין קולט בפתאומיות פרץ קרינה באנרגיה גבוהה הוא שולח את הנתונים אל בסיסי המידע על כדור הארץ. פרץ הקרינה נקרא נקודת שיא (Peak)  והוא מציג כמות אנרגיה גבוהה מהרגיל שעלולה להיות התפרצות גמא. בבסיס המידע על כדור הארץ, ניתן לדעת מן המידע מתי התרחשה ההתפרצות, אורכה, כמות האנרגיה שלה, כמה נקודות שיא היו, מאיזה כיוון נקלטה ואיזה סוג היא.
השיטה הכי נפוצה לאיתור קרני גמא בחלל היא על ידי גבישי נצנץ. גבישים אלה הם חומרים שפולטים אור לאחר שקרינת הגמא מייננת לתוכם אלקטרונים. זאת אומרת, הפוטון האנרגטי  שפוגע בגביש מעביר את האנרגיה שלו או חלקה לאלקטרון שנמצא בחומר, בעיקר בגלל אפקט קומפטון ובליעה פוטו-אלקטרית. הפוטו-אלקטרון נע בתוך החומר ומעביר את האנרגיה שלו לאטומים שפולטים גם הם אלקטרונים נוספים. לאחר מכן האלקטרונים מתחילים לנוע בחומר עד שהם פוגשים בעוד אטומים ומשחררים בהם אלקטרון. בגלל צפיפות הקריסטל, עוד ועוד אלקטרונים חופשיים פוגעים באלקטרונים אחרים, מעבירים אנרגיה ומשתחררים. כאשר האלקטרונים נתפסים שוב על ידי אטומים בחומר הם פולטים אור, על פי פליטת האור מחשבים את אנרגיית האלקטרון הפוגע.
לאחר זיהוי ההתפרצות מבוצע חיפוש של ההתפרצות על ידי טלסקופים אחרים שאורכי גל שונים. טלסקופים אלה יכולים לזהות את ההסחה לאדום של ההתפרצות שנקלטה, אם ההסחה לאדום גדולה או שווה לאחד, הגל הוא ארוך ועל ידי כך ניתן לזהות את המרחק להתפרצות ואת הגלקסיה ממנה ההתפרצות הגיעה.

השפעת התפרצות גמא על כדור הארץ

קרני גמא משפיעות לרעה על האטמוספירה של כדור הארץ-הופעתן יוצרת תגובה בין מולקולות חנקן לשכבת האוזון שגורמות לצמצומה ולהופעת תחמוצות חנקן. באמצעות תחמוצות אלו ניתן לחקור השפעת סופרנובות על כדור הארץ בשכבות הקרח של הקטבים המשמרות מידע על העבר האקלימי של הכדור. ב-1979 וב-2001 נערכו קידוחים באנטארקטיקה ונמצאו עקבות (בעיקר תחמוצת ניטראט) למספר סופרנובות מהעבר.
התפרצות גמא המתרחשת במרחק של מספר אלפי שנות אור מכדור הארץ, יכולה לגרום לדלדול משמעותי של שכבת האוזון במידה כזו שתחשוף את כדור הארץ לקרינה חזקה ותגרום להכחדה המונית. יש הסבורים שהתפרצות שכזו הייתה אחראית להכחדת אורדוביק-סילור שהכחידה את היצורים הימיים הקדמונים לפני כ-445 מיליון שנה, בין תקופות האורדוביק וסילור.