9 жовтня 2022 року орбітальна обсерваторія Swift вперше зафіксувала надзвичайно яскравий гамма-сплеск GRB 221009A.
Протягом наступних місяців дослідники по всьому світу аналізували джерело гамма-випромінювання, щоб відновити деталі незвичайної астрономічної події та знайти її джерело.
Місце розташування гамма-сплеску GRB 221009A на тлі Чумацького Шляху. Зображення: NASA's Goddard Space Flight Center
Що таке гамма-сплеск?
Гамма-сплеском (gamma-ray burst, GRB)астрофізики називають короткочасний сплеск гамма-випромінювання, потоку фотонів з надзвичайно малою довжиною хвилі (менше 2⋅10-10 м) та високою енергією. Такі астрономічні події є викидом величезної кількості енергії і, як правило, фіксуються в далеких галактиках. Гамма-сплеск одна з найяскравіших подій у Всесвіті.
Дослідники відкрили гамма-сплески щодонещодавно: у 60-х роках минулого сторіччя. У 1963 році НАСА відправило на орбіту військовий супутник Vela, обладнаний детекторами нейтронів, рентгенівського та гамма-випромінювання. Він мав контролювати дотримання СРСР та іншими країнами Договору про заборону випробувань ядерної зброї. Прилади супутника не зафіксували ядерних випробувань, але випадково відкрили сплески гамма-випромінювання, що виходять із далекого космосу.
Дослідники виділяють два типи гамма-сплесків,які відрізняються за тривалістю: короткі та довгі. До першої категорії належать спалахи, які тривають від кількох мілісекунд до двох секунд. Вважається, що джерелом такої події є злиття двох нейтронних зірок з утворенням кілонової або поглинання нейтронної зірки чорною діркою.
Другий тип - довгі гамма-сплески.Вони можуть тривати від кількох секунд до кількох хвилин. Основна гіпотеза передбачає, що тривалі сплески гамма-випромінювання пов'язані з вибухом наднової: фінальним етапом еволюції зірок, маса яких у 10 і більше разів перевищує сонячну. Але в 2022 році астрофізики з обсерваторії Gemini повідомили про відкриття кілонової, яка сформувала після злиття нейтронних зірок, на місці зафіксованого роком раніше довгого гамма-сплеску GRB 211211A.
Анімоване зображення довгого гамма-сплеску пов'язаного з колапсом масивної зірки. Анімація, розваги NASA’s Goddard Space Flight Center
Що незвичайного у гамма-сплеску GRB 221009A?
Сплеск гамма-випромінювання GRB 221009A тривав більшеп'ять хвилин. Це означає, що він відноситься до довгих сплесків і, швидше за все, пов'язаний з колапсом ядра масивної зірки в чорну дірку та вибухом наднової. Дивно, що за час, що минув з моменту першого спостереження гамма-сплеску, дослідники не змогли підтвердити формування на місці вибуху наднової або знайти альтернативне джерело випромінювання.
Крім того, сплеск був настільки яскравим, щозасліпила більшість космічних детекторів гамма-випромінювання, тому вони не могли безпосередньо зафіксувати реальну інтенсивність випромінювання. Дослідники використовували дані, зібрані телескопом "Фермі" та гамма-спектрометром "Конус", щоб відновити цю інформацію. Аналіз показав, що GRB 221009A був у 70 разів яскравішим, ніж будь-який інший спостерігається викид гамма-випромінювання.
Порівняння GRB 221009A та чотирьох раніше зафіксованих найпотужніших гамма-сплесків. Зображення: NASA’s Goddard Space Flight Center and Adam Goldstein (USRA)
Розрахунки, проведені астрофізиками проекту«Інтеграл» Європейського космічного агентства (ЕКА) показують, що поки тривав вибух, у верхні шари атмосфери Землі потрапило близько одного гігавата потужності. Це еквівалентно потужності наземної електростанції. Подія була настільки яскравою, що навіть сьогодні залишкове випромінювання з більшою довжиною хвилі, післясвітлення все ще видно.
Аналіз вибірки із 7 тис.гамма-сплесків, зафіксованим «Фермі» та «Конусом», показує, що такі масштабні гамма-сплески повинні траплятися частіше ніж один раз на 10 000 років. "Ймовірно, GRB 221009A був найяскравішим сплеском рентгенівського та гамма-випромінювання з моменту зародження людської цивілізації", - зазначає Ерік Бернс, дослідник з Університету штату Луїзіана в Батон-Руж.
Післясвічення GRB 221009A, зафіксоване телескопом "Хаббл". Зображення: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University); Image Processing: Gladys Kober
Що дізналися астрофізики?
Щоб краще відновити історію гамма-сплеску, дослідники використовували прилади, які фіксують електромагнітне випромінювання на різних довжинах хвиль: від радіохвиль до гамма-випромінювання.
Перші наукові результати показують, якрентгенівські промені висвітлили пилові хмари в Чумацькому Шляху в міру поширення. Дослідники розрахували, що випромінювання подорожувало через міжгалактичний простір близько 1,9 млрд років, перш ніж увійти до нашої галактики. Воно зіткнулося з першою хмарою пилу на околиці Чумацького Шляху близько 60 тис. років тому, а з останньою — близько тисячі.
Щоразу, коли рентгенівські промені стикалисяз хмарою пилу вони розсіювали частину випромінювання, створюючи концентричні кільця, які, здавалося, розширювалися назовні. Космічний рентгенівський телескоп ЕКА XMM-Newton спостерігав ці кільця протягом кількох днів після гамма-сплеску. Найближчі хмари утворили найбільші обручки просто тому, що вони здаються більше в перспективі, пояснюють вчені.
Пилові кільця від GRB 221009A, що спостерігаються рентгенівським телескопом. Зображення: ESA/XMM-Newton/M. Rigoselli (INAF)
Мандруючи Чумацьким Шляхом, рентгенівські променіпослідовно підсвітили 20 хмар пилу нашої галактики. Аналіз випромінювання допоміг розрахувати уточнити відстань до них і проаналізувати властивості частинок, що їх складають.
За минулі роки дослідники запропонували низкурізних теорій, що описують властивості порошин. Дослідники наклали ці моделі на зібрані дані. Вони виявили, що модель, яка передбачає, що частинки складаються в основному з графіту, кристалічної форми вуглецю, найкраще відповідає спостереженням.
Загадкове джерело
Незважаючи на великий обсяг зібраних данихзалишається загадкою, що саме викликала такий яскравий гамма-сплеск. Оскільки основна версія пов'язує довгі гамма-сплески з вибухом наднової, дослідники використовували космічні телескопи Джеймс Вебб і Хабл для пошуку зачатків майбутньої туманності. Але жоден телескоп нічого не знайшов на місці передбачуваного вибуху.
Одна з можливих причин полягає в тому, щогамма-сплеск з'явився в тій частині неба, яка знаходиться всього в кількох градусах над площиною Чумацького Шляху, де густі хмари можуть сильно затуманювати падаюче світло. Якщо це так, можливо, подальші спостереження допоможуть знайти залишки наднової.
Ілюстрація основних складових довгогогамма-сплеску, найпоширенішого типу. Ядро масивної зірки (ліворуч) колапсувало, утворивши чорну дірку, яка посилає потік частинок, що рухаються через матеріал зірки в космос майже зі швидкістю світла. Випромінювання по всьому спектру виникає через гарячий іонізований газ поблизу новонародженої чорної діри, зіткнень між оболонками газу, що швидко рухається всередині джета (внутрішні ударні хвилі) і від передньої кромки джета, коли він змітає і взаємодіє з навколишнім середовищем (зовнішній шок). Зображення: NASA’s Goddard Space Flight Center
Альтернативна гіпотеза припускає, що зіркабула настільки масивною, що після початкового вибуху вона відразу ж утворила чорну дірку, яка поглинула весь матеріал, що в інших умовах формує газову хмару.
Астрофізики продовжують пошук залишківзірки, що вибухнула. В даний час дослідники шукають сліди важких елементів, таких як золото, які, як вважається, утворюються внаслідок потужних вибухів, пов'язаних із колапсом ядра масивної зірки.
Дослідники також зазначають, що, швидше за все,Незвичайна потужність гамма-сплеску пов'язана з тим, що струмінь енергії (джет), викинутий при формуванні чорної діри, була спрямована прямо на Землю. Аналіз післясвітлення та поляризації світла від такого вибуху допоможе дізнатися більше про те, як формуються джети.
Читати далі:
Біологи дізналися, як ракові клітини вислизають від імунної системи
Ключову теорію квантової фізики нарешті довели. Головне
Названі продукти, які захищають мозок від деменції, і коли їх треба вживати
На обкладинці: художня ілюстрація гамма-сплеску. Зображення: NASA/Swift/Cruz deWilde