Астрономы объяснили аномально мощный взрыв во Вселенной

МОСКВА, 23 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В прошлом году ученые обнаружили сверхъяркий гамма-всплеск GRB 221009A с экстремальными свойствами. Недавно группа исследователей, включая астрофизиков из МГУ, детально его описала. Эта работа, по мнению специалистов, поможет найти источник самых мощных взрывов во Вселенной.

Эхо взрыва звезд

Гамма-всплески открыли в конце 1960-х военные американские спутники с рентгеновскими и гамма-детекторами. Через несколько лет данные рассекретили. Советские аппараты тоже это наблюдали.

Телескопы видят гамма-всплески как очень быстрый выброс фотонов, по мощности превышающий фоновые значения в космосе и все известные источники энергии во Вселенной. Вспышки на порядок ярче, чем суммарная светимость Млечного Пути, однако откуда они берутся, до сих пор неизвестно, хотя ученые все ближе подходят к разгадке.

Долгое время астрономы считали, что гамма-всплески рождаются в нашей Галактике. И только спустя два десятка лет стало ясно — они гораздо дальше. Кроме того, некоторые возникли 13 миллиардов лет назад в ранней Вселенной. Какой силы должен быть взрыв, чтобы свет не угас за столь долгое путешествие сквозь космическое пространство? Специалисты дают объяснение: гамма-всплеск сопровождает появление очень массивного, но компактного космического объекта — такого, как черная дыра.

© NASA's Goddard Space Flight Center

Гамма-всплеск GRB 221009A в созвездии Стрела

Впервые за историю наблюдений

Обычные гамма-всплески длятся доли секунд, максимум — секунду-две. В конце 1990-х астрономы стали фиксировать более длительные вспышки, которые, судя по недавним данным, сопровождают гиперновую — так называют очень большую сверхновую, образующуюся после коллапса ядра сверхмассивной звезды. Короткие гамма-всплески чаще указывают на слияние двух нейтронных звезд. В обоих случаях возникают черные дыры.

В начале октября 2022-го приборы на борту космической обсерватории Fermi и другие орбитальные аппараты зафиксировали беспрецедентно яркий гамма-всплеск, длившийся пять минут. О событии оповестили астрономическое сообщество, и множество телескопов навели по координатам на небе, чтобы видеть явление в широком диапазоне электромагнитного излучения. Выяснилось, что ничего более яркого за более чем полувековую историю гамма-наблюдений еще не обнаруживали.

Среди тех, кто выдержал световой "удар", были российские приборы "Конус" на борту космического аппарата NASA Wind, а также телескоп ART-XC в составе космической обсерватории "Спектр-РГ".

© CC BY-NC 4.0 / O’Connor et al.

Рентгеновское послесвечение тех самых мощных гамма-всплесков, по данным телескопа SWIFT. Красным показан GRB 221009A — самый сильный

Аномально мощный гамма-всплеск получил обозначение GRB 221009A, и сейчас его тщательно изучают. В лаборатории экспериментальной астрофизики Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН, отвечающей за эксперимент "Конус", подсчитали: GRB 221009A несет колоссальную энергию в 10⁵⁵ эрг, что эквивалентно более чем шести с половиной массам покоя Солнца.

Телескоп ART-XC, наблюдавший вспышку не "в лоб", зафиксировал импульс длительностью 600 секунд: четыре пика, а затем — плавный спад. Причем детекторы "Конуса" следили за угасанием всплеска более семи часов. В целом послесвечение GRB 221009A наблюдали еще три месяца.

В GRB 221009A уловили тысячи фотонов, перемещающихся с энергией 18 тераэлектронвольт (ТэВ). Никогда раньше в гамма-всплесках подобного не находили. Только последнее поколение ускорителей способно разогнать элементарные частицы до такой энергии.

Есть разные гипотезы, объясняющие это явление, в том числе — распад тяжелых нейтрино и гипотетические аксионы. Однако остается загадкой, как гамма-лучи могли не растерять энергию по пути к нам.

"Это эхо взрыва. Релятивистский поток огромной энергии летит сквозь межзвездную среду и притормаживается, теряет кинетическую энергию. Перед ним — ударная волна, которая производит эти ускоренные частицы большой энергии", — так описал природу гамма-всплеска доктор физико-математических наук профессор Владимир Липунов, основатель сети роботов-телескопов МАСТЕР ГАИШ МГУ. Приборы этой сети в ЮАР и Аргентине наблюдали GRB 221009A в оптическом диапазоне и первыми указали на необычное послесвечение. В июне статья с результатами, полученными, в том числе роботами-телескопами МАСТЕР, вышла в журнале Science Advances.

Редчайшее событие

Обработав большое количество данных от разных детекторов, ученые построили схему джета GRB 221009A (так называют струю плазмы, истекающую из ядер активных галактик). И пришли к выводу, что он направлен в сторону Земли — именно этим и объясняется его аномальная яркость. "Все равно что садовый шланг с водой направить прямо на нас", — цитирует пресс-служба Университета Бата (Великобритания) соавтора статьи Хендрика Ван Эртена. По всей видимости, джет увлек с собой большое количество звездного материала. Поэтому у него широкий конус без видимых краев, тогда как обычно джет выглядит, как узкая изолированная струя.

Необычный конус гамма-всплеска позволил ученым увидеть его сложную структуру и глубину, где со временем меняется светимость той или иной длины волны. По расчетам авторов, для формирования такого структурированного джета потребовалось несколько меньше энергии, чем в стандартном случае, — 4*10⁵³ эрг энергии.

Используя модель структурированного джета, специалисты вычислили, что такое сверхъяркое событие можно наблюдать лишь раз в тысячу лет. На его исключительную редкость указывает и необычно малое красное смещение GRB 221009A — 0,1505. Эта величина характеризует удаленность источника излучения от наблюдателя, в данном случае — примерно 2,4 миллиарда световых лет. То есть это еще и один из самых близких к нам сверхмощных гамма-всплесков. Поиски его источника продолжаются.

© CC BY-NC 4.0 / O’Connor et al.

Структура гамма-всплеска GRB 221009A. prompt — первичное гамма-излучение