Ярчайшая во Вселенной вспышка побила все рекорды

Длинные гамма-всплески, как предполагается, порождаются некоторыми взрывами сверхновых.

Иллюстрация NASA, ESA, M. Kornmesser.

Астрономы долгие годы искали гамма-всплески с подобной энергией фотонов.

Иллюстрация ICRR UTokyo/Naho Wakabayashi.

На фото черенковские гамма-телескопы MAGIC.

Фото Robert Wagner/MAGIC.

Длинные гамма-всплески – самые яркие вспышки во Вселенной. Однако новый космический катаклизм невероятен даже по их меркам. Энергия квантов гамма-излучения превышала обычную для этих процессов в тысячи раз. Теперь астрономам предстоит разобраться в механизмах явления.

Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature коллаборацией телескопа MAGIC.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о длинных гамма-всплесках. Напомним, что это вспышки продолжительностью в десятки секунд или несколько минут. За это время испускается энергия, равная энерговыделению Солнца за всё время его существования. Учёные полагают, что эти гамма-всплески вызываются вспышками сверхновых особого типа. Существуют также короткие гамма-всплески, происходящие при столкновениях нейтронных звёзд, но далее мы будем говорить только о длинных.

Гамма-всплеск – это вспышка гамма-лучей с энергиями в десятки мегаэлекронвольт на фотон. За ним следует послесвечение, которое длится гораздо дольше. В это время испускается электромагнитное излучение всех диапазонов, от радиоволн до опять же гамма-квантов. Механизм его генерации давно изучен: электромагнитные волны испускаются заряженными частицами, движущимися в магнитном поле с околосветовыми скоростями. Причём гамма-кванты в послесвечении имеют гораздо большую энергию, чем в самом всплеске: в десятки гигаэлекронвольт.

Астрономы долгие годы искали гамма-всплески с подобной энергией фотонов.

Теоретики уже 15 лет говорят о том, что при столь масштабном катаклизме должны происходить явления, которые порождают в тысячу раз более энергичные кванты: порядка тераэлектронвольт. Назывался и возможный механизм: обратное комптоновское рассеяние, когда электроны передают свою энергию фотонам (забегая вперёд, скажем, что здесь астрофизиков ждал сюрприз). Однако до сих пор кванты с подобными энергиями никогда не обнаруживались в излучении гамма-всплесков.

"Высокоэнергетические гамма-всплески с энергиями [гамма-квантов] в области тераэлектронвольт – триллионов электронвольт – были предсказаны теоретически. Астрономы искали такие мощные вспышки в течение 15 лет, – рассказывает соавтор статьи Масахиро Теcима (Masahiro Teshima) из Токийского университета. – Моя международная команда и я с гордостью объявляем об открытии первого гамма-всплеска с наблюдаемой энергией до одного тераэлектронвольта, безусловно, самой высокой энергии фотонов, когда-либо обнаруженных в гамма-всплеске".

Яркое во всех смыслах событие произошло 14 января 2019 года, благодаря чему получило обозначение GRB190114C. Первыми его зафиксировали две орбитальные гамма-обсерватории: Neil Gehrels Swift и Fermi. Они сразу же передали данные другим инструментам, в частности, паре телескопов MAGIC.

MAGIC – это атмосферные черенковские телескопы. "Вести.Наука" подробно рассказывали о том, как работают подобные инструменты. Напомним вкратце, что они фиксируют вспышки света, которые возникают, когда энергичные гамма-кванты вторгаются в верхние слои атмосферы Земли.

"Отслеживание гамма-всплесков с Земли – трудная задача, – поясняет Размик Мирзоян (Razmik Mirzoyan) из Физического института Общества имени Макса Планка, сотрудник проекта MAGIC. – Эти вспышки могут в любой момент зажечься где-нибудь на небе и быстро исчезнуть вновь. Вот почему телескопы MAGIC оснащены полностью автоматизированной системой обработки сигналов со спутников (то есть орбитальных гамма-обсерваторий – прим. ред.)".

Система отреагировала с впечатляющей оперативностью.

"Несмотря на то, что вес каждого из них составляет 64 тонны, телескопы могут за короткое время повернуться к новым целям на небе. Во время нынешнего гамма-всплеска прошло всего 27 секунд от первого предупреждения [до начала наблюдений на MAGIC]", – делится цифрами Мирзоян.

Через минуту после собственно всплеска началось послесвечение. В первые полминуты эта область неба была в сотню раз ярче Крабовидной туманности, самого яркого постоянного гамма-источника на земном небе. В течение 20 минут MAGIC фиксировал, как в атомы атмосферы врываются гамма-кванты с беспрецедентными энергиями 0,3–1 тераэлектронвольт. После этого послесвечение быстро угасло: уже через 30 минут после взрыва его интенсивность упала ниже уровня чувствительности телескопа.

На фото черенковские гамма-телескопы MAGIC.

За короткое время ещё два десятка наземных и космических обсерваторий обратились к этой точке неба. В их числе был знаменитый "Хаббл", благодаря которому была определена родительская галактика гамма-всплеска.

"Наблюдения "Хаббла" показывают, что этот конкретный взрыв произошёл в очень плотной среде, прямо посреди яркой галактики в пяти миллиардах световых лет от нас. Это действительно необычно и заставляет предполагать, что именно из-за этого местоположения в сконцентрированной среде было сгенерировано это исключительно мощное излучение", – объясняет соавтор статьи Эндрю Леван (Andrew Levan) из Университета Неймегена в Нидерландах.

Кроме того, родительская звёздная система гамма-всплеска сталкивается с другой галактикой. Это также могло повлиять на характеристики вспышки.

Механизм генерации рекордных гамма-квантов пока остаётся загадкой. Обратное комптоновское рассеяние, на которое уповали теоретики, не подходит: в этом случае интенсивность излучения должна падать быстрее, чем реально наблюдалось. Кроме того, непонятно, почему поведение и яркости, и спектральных характеристик в гамма- и рентгеновском диапазоне было похожим несколько часов подряд. Экспертам только предстоит разобраться, что всё это означает.

К слову, на самом большом в мире атмосферном черенковском телескопе HESS в 2018 году обнаружили гамма-всплеск GRB 180720B, гамма-кванты которого тоже имели необычайно высокую энергию, но всё же значительно меньше, чем у GRB190114C. Зато послесвечение у GRB 180720B было необычно долгим: гамма-источник был виден целых 18 дней. До этого предполагалось, что подобное излучение невозможно наблюдать так долго.

"Обнаружение тераэлектронвольтного гамма-излучения от гамма-всплесков было чрезвычайно сложной задачей, хотя оно и ожидалось. Теперь это было наконец впервые реализовано <…> после многих лет технических улучшений и самоотверженных усилий, – заключает Тесима. – Продолжение работы с существующими гамма-телескопами, а также с новым строящимся массивом черенковских телескопов обещает дать новое физическое представление о самых ярких электромагнитных вспышках во Вселенной".

К слову, ранее "Вести.Наука" писали о звезде, которая уже готова взорваться, породив гамма-всплеск. Также мы писали о самом мощном взрыве в наблюдаемой Вселенной.