В концепции этого художника две нейтронные звезды начинают сливаться, выбрасывая струи высокоскоростных частиц. Столкновения, подобные этому, создают короткие гамма-всплески. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/ А. Симоннет, Государственный университет Сономы.
Самые мощные события в известной Вселенной — гамма-всплески (GRB) — представляют собой кратковременные вспышки света высочайшей энергии. Они могут извергаться с яркостью, в квинтиллион (10 и 18 нулей) раз превышающей яркость нашего Солнца. Сейчас считается, что они могут объявить о рождении новых черных дыр, но они были открыты случайно.
Предыстория переносит нас в 1963 год, когда ВВС США запустили спутники Vela для обнаружения гамма-лучей от запрещенных испытаний ядерного оружия. Соединенные Штаты только что подписали договор с Соединенным Королевством и Советским Союзом о запрете испытаний в атмосфере Земли, и спутники Vela обеспечили его соблюдение всеми сторонами. Вместо этого спутники наткнулись на 16 гамма-событий.
К 1973 году ученые могли исключить, что и Земля, и Солнце были источниками этих ярких извержений. Именно тогда астрономы из Национальной лаборатории Лос-Аламоса опубликовали первую статью, в которой говорилось, что эти всплески происходят за пределами нашей Солнечной системы.
Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА быстро подтвердили результаты с помощью рентгеновского детектора на спутнике IMP 6. Потребуются еще два десятилетия и усилия BeppoSax Итальянского космического агентства и Комптонской гамма-обсерватории НАСА, чтобы показать, что эти вспышки происходят далеко за пределами нашей галактики Млечный Путь, равномерно распределены по небу и являются чрезвычайно мощными. Самый близкий зарегистрированный гамма-всплеск произошел на расстоянии более 100 миллионов световых лет от нас.
Хотя гамма-всплески были обнаружены случайно, они оказались неоценимыми для сегодняшних исследователей. Эти вспышки света дают представление о таких явлениях, как конец жизни очень массивных звезд или образование черных дыр в далеких галактиках.
Тем не менее, еще предстоит открыть множество научных жемчужин. В 2017 году гамма-всплески впервые были связаны с гравитационными волнами — рябью в ткани пространства-времени — что привело нас к лучшему пониманию того, как работают эти события.
Длинные и короткие GRB
Астрономы разделяют гамма-всплески на два основных класса: короткие (когда первоначальный всплеск гамма-лучей длится менее двух секунд) и длинные события (длительностью две секунды или дольше).
Более короткие всплески также производят меньше гамма-лучей в целом, что заставляет исследователей предположить, что эти два класса произошли от разных систем-прародителей.
Астрономы теперь связывают короткие вспышки со столкновением либо двух нейтронных звезд, либо нейтронной звезды и черной дыры, что приводит к образованию черной дыры и кратковременному взрыву. За короткими гамма-всплесками иногда следуют килоновые — свет, образующийся в результате радиоактивного распада химических элементов. В результате этого распада образуются еще более тяжелые элементы, такие как золото, серебро и платина.
Длинные вспышки связаны со взрывной смертью массивных звезд. Когда у звезды большой массы заканчивается ядерное топливо, ее ядро коллапсирует, а затем отскакивает, вызывая ударную волну наружу через звезду. Астрономы рассматривают этот взрыв как сверхновую. Ядро может образовывать либо нейтронную звезду, либо черную дыру.
В обоих классах новорожденная черная дыра испускает струи в противоположных направлениях. Струи, состоящие из частиц, ускоренных почти до скорости света, пронизывают окружающий материал и в конечном итоге взаимодействуют с ним, испуская при этом гамма-лучи.
В представлении этого художника, когда звезда большой массы взрывается, она производит струю частиц высокой энергии. Мы видим гамма-всплески, когда такие джеты направлены почти прямо на Землю. Авторы и права: НАСА/Свифт/Круз де Уайльд
Однако этот общий план не является последним словом. Чем больше астрономы изучают гамма-всплески, тем больше вероятность, что они столкнутся с событиями, которые бросают вызов нынешним классификациям.
В августе 2020 года космический гамма-телескоп Ферми НАСА зафиксировал второй продолжительный всплеск под названием GRB 200826A, находящийся на расстоянии более 6 миллиардов световых лет от нас. Он должен был относиться к классу коротких всплесков, вызванных слиянием компактных объектов.
Однако другие характеристики этого события — например, созданная им сверхновая — позволяют предположить, что оно возникло в результате коллапса массивной звезды. Астрономы полагают, что этот всплеск мог затухнуть до того, как достиг продолжительности, типичной для длинных всплесков.
В декабре 2021 года Ферми и обсерватория Нила Герельса Свифта НАСА запечатлели ее противоположность, GRB 211211A. Всплеск, расположенный на расстоянии миллиарда световых лет от нас, длился около минуты. Хотя это и делает его длинным GRB, за ним последовала килоновая, что предполагает, что он был вызван слиянием. Некоторые исследователи связывают странности этого взрыва со слиянием нейтронной звезды с партнером черной дыры.
Поскольку астрономы обнаруживают все больше всплесков продолжительностью в несколько часов, возможно, все еще существует новый класс: сверхдлинные гамма-всплески. Энергия, созданная в результате смерти звезды большой массы, вероятно, не сможет поддерживать всплеск так долго, поэтому ученым придется искать другие источники.
Некоторые полагают, что сверхдлинные вспышки происходят от новорожденных магнитаров — нейтронных звезд с высокой скоростью вращения и магнитными полями, в тысячу раз более сильными, чем в среднем. Другие говорят, что этот новый класс требует силы крупнейших звездных обитателей Вселенной, голубых сверхгигантов. Исследователи продолжают исследовать сверхдлинные гамма-всплески.
Послесвечение проливает новый свет
Хотя гамма-лучи являются наиболее энергичной формой света, их, конечно, не так легко обнаружить. Наши глаза видят только узкую полосу электромагнитного спектра. Изучение любого света за пределами этого диапазона, например гамма-лучей, во многом зависит от инструментов, разрабатываемых нашими учеными и инженерами. Эта потребность в технологиях, а также и без того мимолетный характер гамма-всплесков затрудняли изучение всплесков в первые годы.
Широкоугольная камера 3 космического телескопа «Хаббл» зафиксировала инфракрасное послесвечение (обведено кружком) GRB 221009A и его родительской галактики, видимое почти с ребра как полоска света, идущая вверху слева от вспышки. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, STScI, А. Леван (Университет Радбауд); Обработка изображений: Глэдис Кобер
Послесвечение GRB возникает, когда материал струй взаимодействует с окружающим газом.
Послесвечение излучает радио-, инфракрасное, оптическое, УФ-, рентгеновское, а также гамма-излучение, что дает больше данных об исходном всплеске. Послесвечения также сохраняются на часы или дни (или даже годы) дольше, чем их первоначальный взрыв, создавая больше возможностей для открытий.
Изучение послесвечений стало ключом к определению движущих сил различных всплесков. При длинных вспышках, когда послесвечение тускнеет, ученые в конечном итоге видят, что источник снова становится ярче, когда становится заметной лежащая в его основе сверхновая.
Хотя свет — самый быстрый путешественник во Вселенной, он не может достичь нас мгновенно. К тому времени, когда мы обнаружим вспышку, возможно, прошли миллионы или миллиарды лет, что позволит нам исследовать часть ранней Вселенной через отдаленные послесвечения.
Взрыв от открытий
Несмотря на обширные исследования, проведенные до сих пор, наше понимание гамма-всплесков далеко не полное. Каждое новое открытие добавляет новые грани к моделям гамма-всплесков ученых.
Ферми и Свифт обнаружили одно из таких революционных событий в 2022 году с GRB 221009A, вспышкой настолько яркой, что она временно ослепила большинство космических гамма-инструментов. По прогнозам, гамма-всплеск такой величины будет происходить раз в 10 000 лет, что делает его, вероятно, самым ярким событием, свидетелем которого была человеческая цивилизация. Соответственно, астрономы окрестили ее самой яркой за всю историю — ЛОДКОЙ.
Это один из самых близких длинных всплесков, когда-либо наблюдавшихся на момент его открытия, который позволяет ученым поближе взглянуть на внутреннюю работу не только гамма-всплесков, но и на структуру Млечного Пути. Всматриваясь в ЛОДКУ, они обнаружили радиоволны, отсутствующие в других моделях, и проследили отражения рентгеновских лучей, чтобы составить карту скрытых пылевых облаков нашей галактики.
GRB также связывают нас с одним из самых востребованных посланников во Вселенной. Гравитационные волны — это невидимые искажения пространства-времени, рожденные в результате катастрофических событий, таких как столкновения нейтронных звезд. Думайте о пространстве-времени как о всеобъемлющем одеяле Вселенной, а гравитационные волны — как о ряби, пробегающей по материалу.
В 2017 году Ферми заметил гамма-вспышку при слиянии нейтронной звезды всего через 1,7 секунды после того, как были обнаружены гравитационные волны от того же источника. Пройдя 130 миллионов световых лет, гравитационные волны достигли Земли чуть раньше гамма-лучей, доказывая, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.
Ученые никогда не обнаруживали совместное путешествие света и гравитационных волн до Земли. В совокупности эти посланники рисуют более яркую картину слияния нейтронных звезд.
При продолжении исследований наши постоянно развивающиеся знания о гамма-всплесках могут раскрыть невидимую ткань нашей Вселенной. Но настоящий взрыв — это лишь верхушка айсберга. Бесконечный поток информации скрывается прямо под поверхностью, готовый к сбору урожая.
