Астрономы полагают, что длинный гамма-всплеск (гамма-всплеск) возникает из-за массивной, быстро вращающейся звезды, когда в ее ядре заканчивается топливо и он коллапсирует, образуя черную дыру в центре звезды. В задумке этого художника две струи вылетают из умирающей звезды и взаимодействуют с окружающим газом и пылью. Фото: Лаборатория концептуальных изображений Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
Телефон Стивена Лесажа начал вибрировать сразу после перерыва 9 октября 2022 года, когда он вместе с другом смотрел футбольный матч в Атланте. Когда Лесаж увидел входящие сообщения, совпадение уже не казалось важным. Произошло редкое космическое событие, и ему нужно было немедленно добраться до компьютера.
Гамма-спутник НАСА «Ферми» и обсерватория Нила Герельса Свифта заметили необычно яркий сигнал в космосе и отправили автоматические оповещения ученым. Канал чата Ферми команды Лесажа заполнился сообщениями, пока ученые координировали свою стратегию дальнейших действий.
«Все в этой группе говорили: «Это безумие! Кто должен это анализировать? Это то, чего мы ждали», — вспоминает Лесаж, аспирант Университета Алабамы в Хантсвилле. «Время идти!»
Необычное событие оказалось космическим взрывом, который, возможно, был самым ярким в рентгеновском и гамма-излучении с момента возникновения цивилизации. Астрономы назвали ее ЛОДКОЙ, «самой яркой за все время». Лесаж провел анализ данных Ферми, который продемонстрировал, насколько яркой была ЛОДКА на самом деле.
Более 150 телескопов в космосе и на Земле следили за этим событием, включая IXPE НАСА (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), космический телескоп Хаббла и космический телескоп Джеймса Уэбба, а также XMM-Newton Европейского космического агентства. телескоп.
Вселенная меняется
ЛОДКА — это пример того, что астрономы называют астрономией временной области и мультимессенджерной астрономией. Часть «Временная область» относится к событиям, происходящим во Вселенной, которые телескопы могут наблюдать по мере их развития, например, сверхновая или слияние двух нейтронных звезд.
«Мультимессенджерная астрономия» относится к множеству «посланников», которые доставляют информацию из Вселенной, включая все формы света, частицы высокой энергии и рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами.
Хотя может показаться, что Вселенная меняется чрезвычайно медленно, в течение миллионов или даже миллиардов лет, ее небесные обитатели иногда действительно производят драматические изменения порядка дней или даже долей секунды. Галактические центры становятся ярче, поскольку их центральные черные дыры поглощают вещество.
Черные дыры выкачивают плазму из близлежащих звезд. Звезды взрываются. Нейтронные звезды сталкиваются с черными дырами, нейтронные звезды сталкиваются с нейтронными звездами, а черные дыры сливаются с черными дырами. Даже отдаленные падения небесных объектов могут вызвать мощную рябь, которую можно обнаружить с помощью космических и наземных телескопов и инструментов. Многие из этих явлений непредсказуемы с точки зрения того, где и когда они могут произойти в следующий раз.
У НАСА есть два спутника-«сторожевого пса» с широкими полями обзора, которые отправляют сигналы тревоги при обнаружении внезапного увеличения яркости гамма-лучей: «Ферми» и «Свифт». Монитор и телескоп большой площади гамма-всплесков Ферми, а также телескоп оповещения о всплесках Свифта являются ключевыми инструментами, которые могут первыми наблюдать эти события.
«Когда происходит что-то импульсивное, когда что-то грохочет и взрывается или что-то хрустнет и разрушается, они срабатывают», — сказала Валери Коннотон, руководитель портфеля астрофизики высоких энергий и Инициативы по астрономии во временной области и с несколькими сообщениями в Отделе астрофизики НАСА. Штаб-квартира в Вашингтоне.
Как только ученые получат оповещение на свои компьютеры и телефоны, они смогут сотрудничать с другими телескопами, чтобы следить за событием. Используя множество различных космических обсерваторий и инструментов для изучения этих в значительной степени непредсказуемых вспышек, ученые могут собрать воедино, что, где, когда и почему они наблюдали «всплеск» в обычном спокойствии космоса.
Сравнив наблюдения BOAT с многочисленных телескопов, ученые определили, что этот необычно яркий всплеск произошел от сверхновой, а точнее, от коллапса ядра массивной звезды, быстро вращающейся. Позже, используя данные миссии НАСА NuSTAR, ученые обнаружили, что струя материала, вылетающая из взорвавшейся звезды, имела более сложную форму, чем они первоначально думали.
«Гигантская звезда только что взорвалась, и мы сможем изучить ее и выяснить, что произошло, провести реверс-инжиниринг всех частей и собрать их воедино», — сказал Лесаж.
Новые яркие сигналы
Всего через пять месяцев после ЛОДКИ ученые получили предупреждение от Ферми о втором по яркости гамма-всплеске, наблюдаемом за последние 50 лет. Этот более новый сигнал GRB 230307A, произошедший в марте 2023 года, присоединился к BOAT в категории «длинных» гамма-всплесков продолжительностью 200 секунд по сравнению с 600 для BOAT.
Благодаря инфракрасным данным космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА ученые определили, что GRB 230307A мог иметь совсем другое происхождение: слияние двух нейтронных звезд, находящихся примерно в миллиарде световых лет от Земли. Более того, Уэбб обнаружил редкий элемент теллур, что позволяет предположить, что слияния нейтронных звезд создают подобные тяжелые элементы.
Этот результат до сих пор озадачивает таких астрономов, как Эрик Бернс, соавтор статьи GRB 230307A и член команды Ферми в Университете штата Луизиана. Слияние нейтронных звезд не должно вызывать такие длинные гамма-всплески, а современные модели атомной физики не полностью объясняют длины волн средней инфракрасной области, обнаруженные Уэббом. Он надеется, что Уэбб поможет нам узнать больше о подобных событиях в ближайшие несколько лет.
«Астрономия во временной области позволяет нам получить фундаментальные ответы о свойствах Вселенной, самой фундаментальной физики и происхождении элементов», — сказал Бернс.
Множество посланников
Космические «посланники», связанные с мимолетными космическими вспышками, также помогают ученым восстановить их происхождение. Первоначальное открытие гравитационных волн в 2015 году LIGO, Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, показало, что Вселенную можно наблюдать совершенно по-новому, и положило начало новой эре возможностей использования нескольких посланников для изучения внезапных всплесков во Вселенной.
В 2017 году ученые продемонстрировали этот потенциал, объединив наблюдения гравитационных волн с данными множества различных наземных и космических обсерваторий для изучения килоновой, или слияния нейтронных звезд, под названием GW170817. Среди результатов обширного изучения этой килоновой Бернс и его коллеги использовали ее для первого точного измерения скорости гравитации, что стало «последним крупным подтверждением предсказания Эйнштейна», сказал он.
Сегодня сеть LIGO, поддерживаемая Национальным научным фондом США (NSF), европейской VIRGO и японской KAGRA, следит за явлениями гравитационных волн.
Свет — единственный вид «посланника» из Вселенной, который был обнаружен как для «ЛОДКИ», так и для гамма-всплеска, который, по-видимому, произвел теллур. Эксперимент под названием IceCube возле Южного полюса, проведенный при поддержке Национального научного фонда, искал нейтрино высокой энергии, исходящие из той же области неба, что и каждое событие, но не нашел ни одного. Однако отсутствие наблюдаемых нейтрино помогает ученым ограничить возможности развития этих событий.
«Такой подход с использованием нескольких сообщений важен, даже если у вас нет возможности обнаружения», — сказала Микела Негро, астрофизик и доцент Университета штата Луизиана. «Это действительно помогает исключить некоторые сценарии, а также сообщает нам что-то новое, когда у нас есть обнаружения».
На этом изображении, полученном с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) НАСА, виден гамма-всплеск (GRB) 230307A и связанная с ним килоновая звезда, а также ее бывшая родная галактика среди их местного окружения, состоящего из других галактик и звезд переднего плана. GRB, вероятно, возник в результате слияния двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды были выброшены из своей родной галактики и преодолели расстояние около 120 000 световых лет, что примерно соответствует диаметру галактики Млечный Путь, прежде чем окончательно слиться через несколько сотен миллионов лет. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, STScI, А. Леван (Университет Радбауд и Уорикский университет).
Светлое будущее
Для Лесажа, который пишет диссертацию о ЛОДКЕ, астрономия во временной области и мультимессенджерная астрономия являются интересной областью исследований. Сама ЛОДКА все еще занимает его и других астрономов, поскольку они наблюдают за всеми процессами, обнаруженными в исключительно ярком свете этого экстремального явления. Но обязательно произойдут более скоротечные события, которые будут держать ученых в напряжении, когда они будут гоняться за ними с помощью самых разных телескопов и инструментов.
«Это всего лишь мимолетные события — посмотрите сейчас, иначе вы пропустите это», — сказал Лесаж. «Смотрите так быстро, как только можете».
