Астрофизики заглянули внутрь мощного гамма-всплеска

Международная группа ученых с участием исследователя из НИУ ВШЭ зафиксировала редкое оптическое излучение от одного из мощнейших гамма-всплесков в истории наблюдений. Астрофизики измерили параметры среды, в которой произошла вспышка, и смоделировали поведение гамма-всплеска. Это помогло ученым понять, почему такие вспышки сопровождаются электромагнитным излучением в видимом диапазоне. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Один из основателей современной астрофизики Иосиф Шкловский писал, что жизнь звезды — это вечная борьба между двумя силами: силой тяготения, которая стремится сжать звезду, и силой газового давления, которая пытается ее распылить. Когда термоядерные реакции в ядре звезды «выключаются», оно перестает поддерживать собственное равновесие и пытается сократиться в одну точку. Если подобное происходит со звездой, масса которой в десять и более раз превышает массу Солнца, случается коллапс: ядро сжимается, оболочка разлетается и происходит катастрофический взрыв галактического масштаба. В результате самые массивные звезды превращаются в черные дыры.

Взрыв сопровождается мощным всплеском гамма-излучения — потоком фотонов, несущих энергию в миллионы и более раз большую, чем кванты привычного нам видимого света. 

Гамма-всплеск — это чрезвычайно короткое по времени (может длиться от нескольких долей секунды до нескольких сотен секунд) и непредсказуемое явление. Никто не знает, где — в какой галактике — и в какой момент появится вспышка. Кроме того, гамма-излучение не проходит сквозь атмосферу Земли, поэтому всплеск можно зафиксировать только с помощью космического телескопа.

Гамма-всплески начали регистрировать с конца 1960-х годов. Долгое время ученые фиксировали только невидимое человеческому глазу гамма-излучение от вспышек. Однако существовали предположения, что эти всплески могут сопровождаться и оптическим излучением, которое можно увидеть с Земли. Наблюдать его впервые удалось 23 января 1999 года. 

Для быстрой фиксации оптического излучения ученые разработали роботизированные телескопы. Они способны в режиме реального времени собирать данные с места вспышки. Гамма-всплеск 20 июня 2021 года — один из самых мощных среди тех, что удалось пока зафиксировать, — исследователи наблюдали с помощью телескопов в Чехии и Испании, а также российской системы Mini-MegaTORTORA Казанского федерального университета, которая находится на Северном Кавказе. Они начали фиксировать свечение через 28 секунд после гамма-вспышки. Данные, полученные одновременно с трех телескопов, позволили восстановить общую форму кривой блеска, наклон оптического спектра в зависимости от времени, а также выявить раннюю эволюцию цвета оптического излучения.

Нам повезло. Во-первых, мы увидели достаточно яркое сопутствующее излучение. Во-вторых, наблюдали его с хорошим временным разрешением: делали кадры с высокой частотой. В-третьих, получили информацию о спектре оптического излучения. В системе Mini-MegaTORTORA наблюдения удалось провести синхронно в двух оптических фильтрах — синем и желто-зеленом. То есть мы измерили не просто общую яркость, а яркость в отдельных цветах. Это редкий, почти уникальный случай.

Антон Бирюков
Один из соавторов исследования, доцент факультета физики НИУ ВШЭ

Подробные данные об излучении в оптическом и других диапазонах позволили определить физические параметры среды гамма-всплеска в той области, где генерировалось оптическое излучение. «Тот обширный набор данных, который получила группа, позволил заглянуть внутрь этой машины гамма-всплеска. Мы будто скальпелем разрезали гамма-всплеск и посмотрели, что там происходит: какие движутся частицы, какая у них энергия, какова плотность среды, какие магнитные поля», — поясняет ученый.

Авторы исследования пришли к выводу, что свечение при гамма-всплеске возникает из-за того, что заряженные частицы высокой энергии, скорость которых почти неотличима от скорости света, движутся в разреженной среде с сильным магнитным полем.

Гамма-всплески — своего рода маяки из ранней Вселенной. Ведь мы фиксируем эти явления на расстоянии в несколько миллиардов световых лет. Это те немногие источники, которые позволяют нам узнать, как были устроены звезды миллиарды лет назад, как завершалось их существование, какая была межзвездная среда, их окружавшая: сколько там было газа и какого, как он взаимодействовал с разлетающимися оболочками звезд.

Антон Бирюков
Один из соавторов исследования, доцент факультета физики НИУ ВШЭ

Изучение гамма-всплесков не только расширяет наши знания о самых массивных далеких звездах. С точки зрения фундаментальной физики гамма-всплески — это естественные физические лаборатории, в которых реализуются наиболее экстремальные условия: сверхвысокие энергии, скорости, плотности, силы тяготения. Именно такие состояния позволяют ученым проверять те физические теории, которые известны человечеству.

Физики отдают себе отчет в том, что существующие фундаментальные теории, которые описывают мир, — теория относительности и квантовая механика — имеют свои границы применимости. Нащупать эти границы мы можем только экспериментально. Гамма-всплеск — один из таких естественных экспериментов. Однако обнаружить границы не так легко. Необходимо продолжать наблюдения и предпринимать попытки детального описания как можно большего количества подобных событий, чтобы накопить достаточный объем информации. Но это естественный ход научного познания.

Антон Бирюков
Один из соавторов исследования, доцент факультета физики НИУ ВШЭ

IQ

June 08, 2023