Пара очень далёких взрывов, обнаруженных космическим телескопом “Ферми” и обсерваторией “Свифт”, высвободила излучение самой высокой энергии, которое когда-либо наблюдали в подобных событиях, называемых гамма-всплесками (gamma-ray bursts, GRBs). Рекордное событие было обнаружено и двумя независимыми наземными обсерваториями, а всё вместе позволит по-новому взглянуть на механизмы, управляющие этими выбросами.
Впервые астрономы распознали феномен гамма-всплесков 46 лет назад. Сейчас удалось установить, что эти события появляются в случайных местах на небе в среднем примерно один раз в день.
Угасание послесвечения гамма-всплеска GRB 190114C и его родной галактики, снятого космическим телескопом “Хаббл” 11 февраля и 12 марта 2019 года. Разница между этими изображениями показывает слабое, недолговечное свечение (центр зелёного круга), расположенное примерно в 800 световых годах от ядра галактики. Синие цвета за пределами ядра сигнализируют о наличии горячих молодых звёзд, указывая на то, что это спиральная галактика, несколько похожая на нашу. Она расположен примерно в 4,5 миллиарда световых лет от нас в созвездии Печи. Источник: NASA, ESA, and V. Acciari et al. 2019
Наиболее распространенный тип GRB возникает, когда у звезды, намного более массивной, чем Солнце, заканчивается топливо. Его ядро коллапсирует и образует чёрную дыру, которая затем выбрасывает струи частиц наружу со скоростью, близкой к скорости света. Эти струи пронзают звезду и уходят в космос. Они-то и производят изначальный импульс гамма-лучей – наиболее энергетически сильной формы света, который обычно длится около минуты.
Когда струи устремляются наружу, они взаимодействуют с окружающим газом и излучают свет по всему спектру, от радио до гамма-лучей. Эти так называемые послесвечения могут проявлять себя в течение ещё нескольких месяцев после основного события и реже, нескольких лет, на более длинных волнах электромагнитного спектра.
“Многое из того, что мы узнали о гамма-всплесках за последние пару десятилетий, пришло от наблюдения их послесвечения в более низких энергиях. Теперь, благодаря этим новым открытиям с помощью наземных обсерваторий, мы видим гамма-лучи от гамма-всплесков совершенно по-новому”, – Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта “Ферми” в Центре космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.
Две статьи, опубликованные в журнале Nature, описывают каждое из этих открытий. Третья статья анализирует один из всплесков, используя богатый набор многоволновых данных, полученных от обсерваторий в космосе и на Земле. Четвёртая статья, принятая The Astrophysical Journal, исследует данные “Ферми” и “Свифта” более подробно.
14 января 2019 года, примерно в 22 часа по Москве, космические обсерватории “Ферми” и “Свифт” обнаружили всплеск гамма-лучей в созвездии Печи. Аппараты предупредили астрономическое сообщество о местоположении всплеска, который быстро получил обозначение GRB 190114C.
Одной из обсерваторий, которая получила сигналы о событии, была обсерватория MAGIC, представляющая собой два наземных черенковских телескопа, расположенных на острове Ла-Пальма. Оба её 17-метровых телескопа, как только пришло сообщение о вспышке, автоматически повернулись к месту затухающего взрыва. Они начали наблюдать гамма-всплеск всего через 50 секунд после того, как он был обнаружен, и именно поэтому сумели захватить самые энергетически сильные гамма-лучи, которые когда-либо наблюдались в этих событиях.
Энергия видимого света колеблется примерно от 2 до 3 электронвольт. В 2013 году телескоп LAT (Large Area Telescope) обнаружил свет, достигающий энергии 95 миллиардов электронвольт (ГэВ), что в то время стало самым мощным событием, наблюдаемым в процессе взрыва. Оно подошло к числу в 100 ГэВ, которое является пороговым для так называемых гамма-лучей очень высоких энергий (VHE). С открытием GRB 190114C, обсерватория MAGIC стала первой, кто однозначно сообщил об излучении VHE с энергиями, доходящими до триллиона электронвольт (1 ТэВ). Это в 10 раз больше пиковой энергии, которую обсерватория “Ферми” наблюдала на сегодняшний день.
“Двадцать лет назад мы разработали MAGIC специально для поиска излучения VHE от гамма-всплесков, поэтому это огромный успех для нашей команды. Открытие гамма-лучей триллиона электронвольт от GRB 190114C показывает, что эти взрывы ещё более мощные, чем думали раньше. Что ещё более важно, наше открытие способствовало проведению обширной последующей кампании с участием более двух десятков обсерваторий, что позволило получить важные сведения о физических процессах, происходящих во время гамма-всплесков”, – соавтор работы Размик Мирзоян, ученый из Института физики Макса Планка в Мюнхене и представитель коллаборации MAGIC.
К этим обсерваториям, в дополнении к “Ферми” и “Свифт” относятся миссия NuSTAR, рентгеновский спутник Европейского космического агентства XMM-Newton, космический телескоп “Хаббл”, а также многие наземные обсерватории. Изображения от “Хаббла”, полученные в феврале и марте, запечатлели оптическое послесвечение вспышки. Они показывают, что взрыв произошёл в спиральной галактике на расстоянии около 4,5 миллиардов световых лет. Это означает, что свет от этого гамма-всплеска начал своё путешествие к нам, когда возраст вселенной был на две трети меньше своего нынешнего возраста.
В другой статье представлены наблюдения другого взрыва, который “Ферми” и “Свифт” обнаружили 20 июля 2018 года. Через десять часов после объявления об этом событии стереоскопическая система высоких энергий H.E.S.S. направила свой большой 28-метровый гамма-телескоп на место вспышки, получившей наименование GRB 180720B. Тщательный анализ, проведённый в течение нескольких недель после события, показал, что H.E.S.S. точно обнаружила гамма-лучи VHE с энергиями до 440 ГэВ. Ещё более примечательно, что свечение продолжалось в течение двух часов после начала наблюдения. Выявление этого излучения так долго после обнаружения гамма-всплеска является одновременно сюрпризом и важным новым открытием.
Учёные полагают, что большая часть гамма-лучей от послесвечения GRB возникает в магнитных полях на передней кромке струи. Электроны высоких энергий, вращающиеся по спирали в этих полях, непосредственно испускают гамма-лучи через механизм, называемый синхротронным излучением.
Наземные обсерватории обнаружили излучение, в триллион раз превышающее энергию видимого света от космического взрыва, называемого гамма-всплеском (GRB). На этом рисунке показана структура наиболее распространенного типа всплеска. Ядро массивной звезды (слева) разрушилось и образовало чёрную дыру. Этот “двигатель” запускает струю частиц, которая движется через коллапсирующую звезду и выходит в космос почти со скоростью света. Быстрое излучение, которое обычно длится минуту или меньше, может возникнуть в результате взаимодействия струи с газом вблизи новорождённой чёрной дыры и от столкновений между оболочками быстро движущегося газа внутри струи (внутренние ударные волны). Излучение послесвечения возникает, когда передний край струи проносится вверх через своё окружение (создавая внешнюю ударную волну) и испускает излучение по всему спектру в течение некоторого времени — от месяцев до лет, в случае радио и видимого света, и многих часов при самых высоких энергиях гамма-излучения, которые до сих пор наблюдались. Значение энергии этих излучений для двух последних гамма-всплесков намного превышают 100 миллиардов электрон-вольт. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center
Но обе команды, и H.E.S.S. и MAGIC интерпретируют VHE-излучение как отдельный компонент послесвечения, что означает, что должен действовать какой-то дополнительный процесс. Лучшим кандидатом, говорят исследователи, является обратный комптон-эффект. Высокоэнергетические электроны в струе врезаются в низкоэнергетические гамма-лучи и увеличивают их энергию до гораздо более высоких значений.
В статье, подробно описывающей наблюдения “Ферми” и “Свифт”, исследователи приходят к выводу, что для получения излучения очень высоких энергий действительно может потребоваться дополнительный физический механизм. Однако в пределах более низких энергий, наблюдаемых этими обсерваториями, поток синхротронных гамма-лучей значительно затрудняет раскрытие это второго механизма.
“В данных этих обсерваторий мы не видим прямых доказательств существования второго компонента эмиссии. Однако, если VHE-излучение возникает только в результате синхротронного процесса, то фундаментальные допущения, используемые при оценке пиковой энергии, производимой этим механизмом, должны быть пересмотрены”, – С. Брэдли Ченко из Штаб-квартире НАСА и главный учёный миссии “Свифт”.
По информации НАСА.
Источник: