В октябре 2022 года космический гамма-телескоп Ферми и обсерватория Свифта Нила Герельса обнаружили исключительно мощный гамма-всплеск (GRB). Она до сих пор считается самой яркой за все время (ЛОДКА), и с тех пор астрономы интересуются ею.
Новое исследование раскрыло более подробную информацию о вспышке. Что они говорят нам об этих мощных взрывах?
«Когда я впервые увидел этот сигнал, у меня пошли мурашки по коже».
Мария Эдвиг Равазио, Университет Радбауд, Неймеген, Нидерланды
GRB — самые энергичные события во Вселенной после Большого взрыва. Это короткие, но мощные взрывы, которые за несколько секунд могут высвободить столько же энергии, сколько Солнце за миллиарды лет термоядерного синтеза. Механизм этого явления пока не совсем ясен астрономам. Судя по всему, они образовались в результате взрыва чрезвычайно массивной звезды или слияния двух чрезвычайно плотных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры.
Первый всплеск гамма-всплеска называется мгновенным излучением. Хотя сами мгновенные излучения длятся от миллисекунд до нескольких сотен секунд, гамма-всплески имеют послесвечение, которое длится гораздо дольше и излучается с длинами волн, превышающими гамма-лучи: рентгеновское, ультрафиолетовое, оптическое, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Это означает, что астрономы могут изучать их источник еще долго после того, как гамма-лучи исчезнут.
Когда была обнаружена BOAT, также известная как GRB 221009A, она была настолько мощной, что перегрузила детекторы Ферми. Это означает, что астрономам не удалось наблюдать некоторые из самых энергичных моментов GRB.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, астрономы сообщают, что обнаружили еще один пик данных излучения GRB 221009A. Исследование посвящено «мегаэлектронвольтовой эмиссионной линии в спектре гамма-всплеска». Ведущий автор — Мария Эдвиг Равазио, постдокторант в области астрофизики в Университете Радбауд в Неймегене, Нидерланды. Этот пик является новым ключом к пониманию того, что происходит во время GRB.
«Физика мгновенного излучения еще недостаточно изучена: преобладающая форма энергии в релятивистской струе неизвестна, как и природа процесса излучения, ответственного за образование наблюдаемых фотонов», — пишут авторы в своей статье.
В своем новом исследовании команда использовала наблюдения GRB и объединила их со статистическими моделями для выявления новых особенностей. Они разделили гамма-всплески на разные временные интервалы и проанализировали их индивидуально и вместе. Они сосредоточились на тех частях мгновенного излучения, которые были не самыми яркими. «Мы исследовали менее яркие части мгновенного излучения», — пишут они, и избегали той части сигнала, которая была насыщена необычайной мощностью гамма-всплеска.
«Через несколько минут после извержения BOAT монитор гамма-всплесков Ферми зафиксировал необычный энергетический пик, который привлек наше внимание», — сказал Равазио. «Когда я впервые увидел этот сигнал, у меня побежали мурашки. Наш анализ, проведенный с тех пор, показывает, что это первая высоконадежная линия излучения, которую мы когда-либо видели за 50 лет исследований гамма-всплесков». Как и все остальное в GRB, эта линия была временной. Это длилось всего 40 секунд, но все равно важно. Это произошло примерно через пять минут после первоначального взрыва и достигло пика в 12 МэВ (миллион электронвольт). Для сравнения: свет, который могут воспринимать наши глаза, называемый видимым светом, имеет длину волны всего два-три эВ.
Недавно обнаруженная линия излучения важна, поскольку она показывает, что происходит с энергией, излучаемой гамма-всплесками. Когда сильное электромагнитное излучение попадает на материю, оно может быть поглощено, а затем переизлучено на более низких длинах волн. В зависимости от условий некоторые длины волн света более выражены, чем другие. Астрономы изучают свет спектроскопически и, в зависимости от того, какой свет является ярким или скрытым, могут многое узнать о химии вещества, излучающего свет. Некоторые особенности спектра могут также указывать на происходящие в частицах процессы. Одним из таких процессов является аннигиляция материи и антиматерии.
Когда астрономы в прошлом изучали спектры поглощения и излучения гамма-всплесков, они не могли быть уверены, что то, что они видели, не было шумом. Но на этот раз все по-другому.
«Мы пришли к выводу, что вероятность того, что это явление является просто шумовым колебанием, составляет менее одной на полмиллиарда».
Ом Шаран Салафьям, соавтор, Обсерватория INAF Брера в Милане, Италия
«Хотя некоторые предыдущие исследования сообщали о возможных доказательствах особенностей поглощения и излучения в других гамма-всплесках, более позднее исследование показало, что это могут быть просто статистические колебания. То, что мы видим на BOAT, отличается», — сказал соавтор Ом Шаран Салафия из обсерватории Брера INAF в Милане, Италия. «Мы обнаружили, что вероятность того, что эта особенность является всего лишь вариацией шума, составляет менее одного к полумиллиарду».
Исследователи полагают, что линия излучения исходит от гамма-лучей, движущихся почти со скоростью света. Их наиболее вероятный источник экзотичен: аннигиляция материи и антиматерии.
«Когда электрон и позитрон сталкиваются, они аннигилируют друг друга, образуя пару гамма-лучей с энергией 0,511 МэВ», — сказал соавтор Гор Оганесян из Научного института Гран-Сассо и Национальной лаборатории Гран-Сассо в Аквиле. , Италия. «Когда мы смотрим на джет, где материя движется со скоростью, близкой к скорости света, это излучение сильно смещается в голубую сторону и смещается в сторону гораздо более высоких энергий».
Чтобы наблюдаемый пик достиг уровня 12 МэВ, электроны и позитроны должны были двигаться со скоростью 99,9 процента скорости света: 299 492 665 метров в секунду.
Эта линия излучения — новое окно в мир высокопроизводительных гамма-всплесков.
«После десятилетий изучения этих невероятных космических взрывов мы до сих пор не понимаем деталей того, как работают эти самолеты», — сказала Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. «Поиск таких замечательных линий излучения поможет ученым более детально изучить эту экстремальную среду».
