Letusan sinar gama

Dalam astronomi sinar gama, letusan sinar gama (bahasa Inggeris; gamma-ray burst atau GRB) merupakan letupan sangat bertenaga yang diperhatikan dari galaksi jauh. Letusan-letusan sebegini merupakan kejadian elektromagnetik paling terang yang diketahui berlaku di alam semesta, di mana tempoh bertahannya boleh mencapai daripada sependek sepuluh milisaat hingga ke beberapa jam. Selepas suatu pancaran awal sinar gama, "bara susulan" (afterglow) yang lebih lama biasanya dipancarkan pada panjang gelombang yang lebih panjang (misalnya sinar X, ultraungu, optik, inframerah, gelombang mikro dan radio).
Sinaran intensif GRB yang paling dicerap dipercayai terpancar sewaktu terjadinya supernova atau hipernova apabila bintang jisim besar yang berpusing cepat membentuk bintang neutron, bintang kuark, atau lubang hitam. Subkelas letusan (letusan "pendek") muncul dari proses yang berbeza: penggabungan bintang neutron binari. Punca pendahulu letusan diperhatikan dalam beberapa peristiwa pendek ini mungkin merupakan perkembangan resonans antara kerak dan inti bintang-bintang semacam itu akibat kekuatan pasang surut yang dialami beberapa saat sebelum pertembungan berlaku, menyebabkan keseluruhan kerak bintang itu musnah.
Punca kebanyakan GRB didapati berbilion tahun cahaya jauh dari Bumi, di mana ia disimpulkan bahawa letupan sebegini sangat bertenaga (suatu letusan yang biasa melepaskan tenaga sebanyak mana Matahari akan meluahkan sepanjang hayatnya sepanjang 10 bilion tahun dalam beberapa saat) dan sangat jarang (beberapa letusan per galaksi per juta tahun) Semua GRB yang dicerapkan berasal dari luar galaksi Bima Sakti, walaupun kelas fenomena yang berkaitan, suar pengulang gama lembut, dikaitkan dengan magnetar dalam Bima Sakti. Satu hipotesis diusulkan bahawa sinar gama pecah di Bima Sakti, menunjuk secara langsung ke arah Bumi, boleh menyebabkan peristiwa kepupusan besar-besaran.
GRB mula-mula dikesan pada tahun 1967 oleh satelit Vela, yang telah direka untuk mengesan ujian senjata nuklear yang tersembunyi. Berikutan penemuan mereka, beratus-ratus model teori dicadangkan untuk menjelaskan pecahan ini, seperti pertembungan antara komet dan bintang neutron. Tidak banyak maklumat yang boleh didapati untuk mengesahkan model-model ini sehingga pengesanan bara susulan sinar X dan optikal pertama yang dilakukan pada tahun 1997; serta juga ukuran langsung anjakan merah menggunakan spektroskopi optik, seterusnya jarak dan tenaga luarannya. Penemuan ini, disusuli kajian-kajian terbaru mengenai galaksi dan supernova yang berkaitan dengan letusannya, menjelaskan jarak dan kilauan GRB lalu menempatkan lokasi letusan-letusan ini dalam galaksi jauh secara pastinya.

Sejarah

Letusan sinar gama pertama kalinya dicerapkan pada hujung 1960-an oleh satelit Vela di Amerika Syarikat yang dibina untuk mengesan denyut sinaran gama yang dipancarkan oleh senjata nuklear yang diuji di ruang angkasa. Negara tersebut mengesyaki bahawa Kesatuan Soviet mungkin cuba untuk menjalankan ujian nuklear rahsia meskipun telah menandatangani Perjanjian Pengujian Uji Nuklear pada 1963. Pada 2 Julai 1967, jam 14:19 UTC, satelit Vela 4 dan Vela 3 mengesan sinar gama yang bersifat tidak seperti mana-mana senjata nuklear yang diketahui. Tidak pasti apa yang berlaku tetapi tidak menganggap perkara itu sangat penting, pasukan di Makmal Saintifik Los Alamos, yang diketuai oleh Ray Klebesadel, memfailkan data tersebut untuk menjalankan siasatan lanjut. Apabila satelit tambahan Vela dilancarkan dengan alat yang lebih baik, pasukan Los Alamos terus mencari letusan sinar gama yang tidak dapat diterangkan dalam data mereka. Dengan menganalisis masa ketibaan berlakunya letusan seperti yang dikesan oleh satelit yang berbeza, pasukan itu dapat menentukan anggaran kasar untuk kedudukan dalam langit enam belas letusan yang tercatat lalu secara muktamadnya menyingkirkan asal bumi atau suria. Penemuan ini dikelaskan semula dan diterbitkan pada tahun 1973.
Kebanyakan teori awal percikan sinar gama memaparkan sumber-sumber berdekatan dalam galaksi Bima Sakti. Dari tahun 1991, Balai Cerap Sinar Gama Compton (Compton Gamma Ray Observatory, CGRO) dan Peneroka Sumber yang Fana dan Meletus (Burst and Transient Source Explorer, BATSE), pengesan sinar gama yang sangat sensitif, menyediakan data yang menunjukkan pengagihan GRB bersifat isotropik—tidak terdorong ke mana-mana arah tertentu dalam angkasa. Sekiranya sumbernya berada dalam galaksi kita sendiri, balai-balai ini akan tertumpu ke satah galaksi atau lokasi yang berhampiran. Ketiadaan apa-apa corak sedemikian dalam kes GRB memberikan bukti kuat bahawa letusan sinar gama mesti datang dari luar Bima Sakti. Walau bagaimanapun, beberapa model Bima Sakti masih konsisten dengan pengedaran isotropik.

Objek rakan sebagai sumber calon

Selama beberapa dekad selepas penemuan GRB, ahli astronomi mencari rakan sebaya pada panjang gelombang yang lain: iaitu apa-apa objek astronomi dalam kebetulan kedudukan dengan letusan baru-baru ini diperhatikan. Ahli astronomi menganggap banyak kelas objek yang berbeza, termasuk kerdil putih, pulsar, supernova, kumpulan globular, kuasar, galaksi Seyfert, dan objek BL Lac. Semua pencarian sedmikian tidak berjaya, dan dalam beberapa kes letusan terutamanya yang diselaraskan dengan baik (orang-orang yang kedudukannya ditentukan dengan apa yang kemudiannya ketepatan yang tinggi) boleh dengan jelas ditunjukkan tidak mempunyai objek yang terang dari mana-mana sifat yang konsisten dengan kedudukan yang diperolehi dari satelit mengesan. Ini mencadangkan asal-usul bintang yang sangat lemah atau galaksi yang jauh. Kedudukan yang setepat mana pun akan mempunyai banyak bintang dan galaksi yang lemah, dan terdapat kata sepakat bahawa resolusi akhir asal-usul letusan sinar gama kosmik akan memerlukan kedua-dua teknologi satelit kaedah komunikasi yang baru dan lebih pantas.

Selepas cahaya

Beberapa model untuk asal-usul letusan sinar gama mengisytiharkan bahawa pancaran awal sinar gama harus diikuti oleh pelepasan perlahan-lahan memudar pada panjang gelombang yang lebih panjang yang dicipta oleh perlanggaran antara ejekta pecah dan gas antara najam. Pelepasan pudar ini akan dipanggil "selepas cahaya". Pencarian awal untuk penggalian awal ini tidak berjaya, terutamanya kerana sukar untuk melihat kedudukan pecah pada panjang gelombang yang lebih lama segera selepas pecah awal. Kejayaan itu datang pada Februari 1997 apabila satelit BeppoSAX mengesan letusan sinar gama (GRB 970228) dan apabila kamera sinar X menunjuk arah arah yang mana letusan itu bermula, ia mengesan pelepasan sinar-X. Teleskop William Herschel mengenalpasti rakan sejawat optik yang pudar 20 jam selepas letusan tersebut. Sebaik sahaja GRB pudar, pengimejan mendalam dapat mengenal pasti galaksi hos yang lemah dan jauh di lokasi GRB sebagai ditunjuk oleh selepas cahaya optik.
Kerana sangat terangnya galaksi ini, jarak yang tepat tidak diukur selama beberapa tahun. Sebelum itu, satu lagi kejayaan besar berlaku dengan peristiwa seterusnya yang didaftarkan oleh BeppoSAX, GRB 970508. Peistiwa ini ditempatkan dalam masa empat jam dari penemuannya, membolehkan pasukan penyelidikan untuk mula membuat pemerhatian lebih awal daripada letusan sebelum ini. Spektrum objek mendedahkan anjakan merah z=0.835, meletakkan pecah pada jarak kira-kira 6 bilion tahun cahaya dari Bumi. Ini adalah penentuan jarak yang tepat pertama kepada GRB, dan bersama-sama dengan penemuan galaksi hos 970228 membuktikan bahawa GRB berlaku dalam galaksi yang sangat jauh. Dalam beberapa bulan, kontroversi mengenai skala jarak berakhir: GRBs adalah peristiwa galaktik tambahan yang berasal dari galaksi yang lemah di jarak yang sangat jauh. Pada tahun berikutnya, GRB 980425 diikuti dalam sehari oleh supernova cerah (SN 1998bw), bertepatan di lokasi, menunjukkan sambungan jelas antara GRB dan kematian bintang yang sangat besar. Letusan ini memberikan petunjuk kuat pertama tentang sifat sistem yang menghasilkan GRB.
BeppoSAX berfungsi sehingga tahun 2002 dan CGRO (dengan BATSE) telah dikurangkan pada tahun 2000. Walau bagaimanapun, revolusi dalam kajian letusan sinar gama memacu perkembangan beberapa instrumen tambahan yang direka khusus untuk meneroka sifat GRB, terutama pada saat-saat awal selepas letupan itu. Misi pertama, HETE-2, ldilancarkan pada tahun 2000 dan berfungsi sehingga 2006, menyediakan sebahagian besar penemuan utama dalam tempoh ini. Salah satu misi ruang paling berjaya setakat ini, Swift, dilancarkan pada tahun 2004 dan pada 2016 masih beroperasi. Swift dilengkapi dengan pengesan sinar gama yang sangat sensitif serta sinar X dan teleskop optik, yang boleh dengan pantas dan secara automatik dibunuh untuk mematuhi pelepasan selepas cahaya berikutan letupan. Baru-baru ini, misi Fermi dilancarkan dengan membawa Gamma-Ray Burst Monitor, yang mengesan letusan pada kadar seratus per tahun, yang sebahagiannya cukup terang untuk diperhatikan dengan tenaga yang sangat tinggi dengan Teleskop Kawasan Besar Fermi. Sementara itu, di lapangan, banyak teleskop optik telah dibina atau diubahsuai untuk memasukkan perisian kawalan robotik yang segera bertindak balas kepada isyarat yang dihantar melalui Rangkaian Koordinat Letusan Sinar Gama. Ini membolehkan teleskop dengan cepat mengalir ke arah GRB, selalunya dalam beberapa saat menerima isyarat dan manakala pelepasan sinar gama itu sendiri masih berterusan.
Perkembangan baru sejak tahun 2000 termasuk pengiktirafan letusan sinar gama pendek sebagai kelas yang berasingan (mungkin dari menggabungkan bintang-bintang neutron dan tidak dikaitkan dengan supernova), penemuan aktiviti pembakaran yang panjang dan tidak menentu pada panjang gelombang sinar-X yang berlangsung selama beberapa minit selepas kebanyakan GRB, dan penemuan yang paling bercahaya (GRB 080319B) dan objek yang paling jauh (GRB 090423) di alam semesta. GRB yang paling jauh dikenali, GRB 090429B, kini menjadi objek paling terkenal di alam semesta.

Pengelasan

Lengkung cahaya letusan sinar gama sangat pelbagai dan kompleks. Tiada dua lengkung cahaya letusan sinar gama adalah sama, dengan variasi besar yang diamati dalam hampir semua sifat: tempoh pelepasan yang dapat dilihat boleh berubah dari millisaat hingga ke puluhan minit, boleh ada puncak tunggal atau beberapa subdenyut tunggal, dan puncak tunggal boleh menjadi bersimetri atau mencerah dengan cepat dan memudar dengan sangat perlahan. Beberapa pecutan didahului oleh peristiwa "pendahulunya", pecah yang lemah kemudian diikuti (selepas beberapa saat hingga tidak ada pelepasan sama sekali) oleh episod pecutan "benar" yang lebih sengit. Lengkung cahaya beberapa peristiwa mempunyai profil yang sangat tidak menentu dan rumit dengan hampir tiada corak yang dapat dilihat.
Meskipun terdapat beberapa lengkung cahaya yang boleh diterbitkan secara kasar menggunakan model tertentu yang dipermudahkan, sangat sedikit kemajuan yang telah dibuat dalam memahami kepelbagaian penuh yang diperhatikan. Banyak skim pengelasan telah dicadangkan, namun hanya semata-mata berasaskan perbezaan dalam penampilan lengkung cahaya dan mungkin tidak selalu mencerminkan perbezaan fizikal sebenar dalam pemula letupan. Walau bagaimanapun, plot taburan tempoh yang diperhatikan untuk sejumlah besar letusan sinar gama menunjukkan bimodaliti yang jelas, mencadangkan kewujudan dua populasi berasingan: populasi "pendek" dengan purata tempoh kira-kira 0.3 saat dan populasi "panjang" dengan purata tempoh kira-kira 30 saat. Kedua-dua taburan ini adalah sangat luas dengan julat yang bertindih dengan ketara di mana identiti kejadian tertentu tidak diberikan dengan jelas melalui tempoh pelepasan itu sendiri. Kelas-kelas tambahan di luar sistem dua peringkat ini telah dicadangkan dalam kedua-dua sudut pandang pemerhatian dan teoretikal.

Calon GRB di dalam Bima Sakti

Tiada letusan sinar gama yang datang dari dalam galaksi kita sendiri, Bima Sakti, telah dicerapkan, dan persoalan sama ada letusan-letusan ini pernah berlaku masih belum dapat diselesaikan. Memandangkan pemahaman yang semakin jelas tentang letusan sinar gama dan para leluhur mereka, penulisan saintifik mencatatkan peningkatan jumlah calon GRB tempatan, masa lalu, dan masa depan. Ganjaran panjang GRB berkaitan dengan supernovae superluminous, atau hopernova, dan pembolehubah biru yang paling bercahaya (LBVs), dan bintang-bintang Wolf-Rayet yang berputar cepat dipercepatkan untuk menamatkan kitaran hidup mereka dalam supernova teras runtuh dengan GRB jangka panjang yang berkaitan. Pengetahuan mengenai GRB, bagaimanapun, adalah dari galaksi-galaksi lama logam zaman bekas evolusi alam semesta, dan tidak mustahil ekstrapolasi secara langsung untuk merangkumi galaksi yang lebih berkembang dan persekitaran cemerlang dengan kelogaman yang lebih tinggi, seperti Bima Sakti.