9 октября 2022 года орбитальная обсерватория Swift впервые зафиксировала необычно яркий гамма-всплеск GRB 221009A. Чуть позже детекторы, установленные на борту космического гамма-телескопа НАСА «Ферми», и российский гамма-спектрометр «Конус» на корабле GGS WIND подтвердили рекордно яркое событие.
На протяжении следующих месяцев исследователи по всему миру анализировали источник гамма-излучения, чтобы восстановить детали необычного астрономического события и найти его источник.
Что такое гамма-всплеск?
Гамма-всплеском (gamma-ray burst, GRB) астрофизики называют кратковременный всплеск гамма-излучения, потока фотонов с чрезвычайно малой длиной волны (менее 2⋅10−10 м) и высокой энергией. Такие астрономические события представляют собой выброс огромного количества энергии и, как правило, фиксируются в далеких галактиках. Гамма-всплеск одно из самых ярких событий во Вселенной.
Исследователи открыли гамма-всплески относительно недавно: в 60-х годах прошлого столетия. В 1963 году НАСА отправило на орбиту военный спутник Vela, оборудованный детекторами нейтронов, рентгеновского и гамма-излучения. Он должен был контролировать соблюдение СССР и другими странами Договора о запрещении испытаний ядерного оружия. Приборы спутника не зафиксировали ядерных испытаний, но случайно открыли всплески гамма-излучения, исходящие из далекого космоса.
Исследователи выделяют два типа гамма-всплесков, которые отличаются по длительности: короткие и длинные. К первой категории относятся вспышки, которые длятся от нескольких миллисекунд до двух секунд. Считается, что источником такого события является слияние двух нейтронных звезд с образованием килоновой или поглощение нейтронной звезды черной дырой.
Второй тип — длинные гамма-всплески. Они могут длиться от нескольких секунд до нескольких минут. Основная гипотеза предполагает, что продолжительные всплески гамма-излучения связаны со взрывом сверхновой: финальным этапом эволюции звезд, масса которых в 10 и более раз превышает солнечную. Но в 2022 году астрофизики из обсерватории Gemini сообщили об открытии килоновой, сформировавшей после слияния нейтронных звезд, на месте зафиксированного годом ранее длинного гамма-всплеска GRB 211211A.
Что необычного в гамма-всплеске GRB 221009A?
Всплеск гамма-излучения GRB 221009A длился более пяти минут. Это значит, что он относится к длинным всплескам и, скорее всего, связан с коллапсом ядра массивной звезды в черную дыру и взрывом сверхновой. Удивительно, что за прошедшее с момента первого наблюдения гамма-всплеска время исследователи не смогли подтвердить формирование на месте взрыва сверхновой или найти альтернативный источник излучения.
Кроме того, всплеск был настолько ярким, что ослепил большинство космических детекторов гамма-излучения, поэтому они не могли напрямую зафиксировать реальную интенсивность излучения. Исследователи использовали данные, собранные телескопом «Ферми» и гамма-спектрометром «Конус», чтобы восстановить эту информацию. Анализ показал, что GRB 221009A был в 70 раз ярче, чем любой другой наблюдаемый выброс гамма-излучения.
Расчеты, проведенные астрофизиками проекта «Интеграл» Европейского космического агентства (ЕКА), показывают, что пока длился взрыв, в верхние слои атмосферы Земли попало около одного гигаватта мощности. Это эквивалентно мощности наземной электростанции. Событие было настолько ярким, что даже сегодня остаточное излучение с большей длиной волны, послесвечение, все еще видно.
Анализ выборки из 7 тыс. гамма-всплесков, зафиксированным «Ферми» и «Конусом», показывает, что такие масштабные гамма-всплески должны случаться на чаще чем один раз в 10 000 лет. «Вероятно, GRB 221009A был самым ярким всплеском рентгеновского и гамма-излучения с момента зарождения человеческой цивилизации», — отмечает Эрик Бернс, исследователь из Университета штата Луизиана в Батон-Руж.
Что узнали астрофизики?
Чтобы лучше восстановить историю гамма-всплеска, исследователи использовали приборы, которые фиксируют электромагнитное излучение на самых разных длинах волн: от радиоволн до гамма-излучения.
Первые научные результаты показывают, как рентгеновские лучи осветили пылевые облака в Млечном Пути по мере распространения. Исследователи рассчитали, что излучение путешествовало через межгалактическое пространство около 1,9 млрд лет, прежде чем войти в нашу галактику. Оно столкнулось с первым облаком пыли на «окраине» Млечного Пути около 60 тыс. лет назад, а с последним — около тысячи.
Каждый раз, когда рентгеновские лучи сталкивались с облаком пыли, они рассеивали часть излучения, создавая концентрические кольца, которые, казалось, расширялись наружу. Космический рентгеновский телескоп ЕКА XMM-Newton наблюдал эти кольца в течение нескольких дней после гамма-всплеска. Ближайшие облака образовали самые большие кольца просто потому, что они кажутся больше в перспективе, объясняют ученые.
Пылевые кольца от GRB 221009A, наблюдаемые рентгеновским телескопом. Изображение: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
Путешествуя по Млечному Пути, рентгеновские лучи последовательно подсветили 20 пылевых облаков нашей галактики. Анализ излучения помог рассчитать уточнить расстояние до них и проанализировать свойства составляющих их частиц.
За прошедшие годы исследователи предложили ряд различных теорий, описывающих свойства пылинок. Исследователи наложили эти модели на собранные данные. Они обнаружили, что модель, которая предполагает, что частицы состоят в основном из графита, кристаллической формы углерода, лучше всего соответствует наблюдениям.
Загадочный источник
Несмотря на большой объем собранных данных остается загадкой, что именно вызвала такой яркий гамма-всплеск. Поскольку основная версия связывает длинные гамма-всплески с взрывом сверхновой, исследователи использовали космические телескопы «Джеймс Уэбб» и «Хаббл» для поиска зачатков будущей туманности. Но ни один из телескопов ничего не нашел на месте предполагаемого взрыва.
Одна из возможных причин заключается в том, что гамма-всплеск появился в той части неба, которая находится всего в нескольких градусах над плоскостью Млечного Пути, где густые пылевые облака могут сильно затуманивать падающий свет. Если это так, возможно, дальнейшие наблюдения помогут найти остатки сверхновой.
Альтернативная гипотеза предполагает, что звезда была настолько массивной, что после первоначального взрыва она сразу же образовала черную дыру, которая поглотила весь материал, в других условиях формирующий газовое облако.
Астрофизики продолжают поиск остатков взорвавшейся звезды. В настоящее время исследователи ищут следы тяжелых элементов, таких как золото, которые, как считается, образуются в результате мощных взрывов, связанных с коллапсом ядра массивной звезды.
Исследователи также отмечают, что, скорее всего, необычная мощность гамма-всплеска связана с тем, что струя энергии (джет), выброшенная при формировании черной дыры была направлена прямо на Землю. Анализ послесвечения и поляризации света от такого взрыва поможет узнать больше о том, как формируются джеты.
Читать далее:
Биологи узнали, как раковые клетки ускользают от иммунной системы
Ключевую теорию квантовой физики наконец-то доказали. Главное
Названы продукты, которые защищают мозг от деменции, и когда надо их употреблять
На обложке: художественная иллюстрация гамма-всплеска. Изображение: NASA/Swift/Cruz deWilde