Космический гамма-телескоп Ферми НАСА 26 августа 2020 года обнаружил импульс высокоэнергетического излучения, который летел к Земле почти половину нынешнего возраста Вселенной. Продолжавшийся всего около секунды, он оказался рекордсменом по времени — это самый короткий гамма-всплеск (GRB), вызванный смертью массивной звезды, которую когда-либо видели специалисты.
«Мы уже знали, что некоторые гамма-всплески массивных звезд могут регистрироваться как короткие гамма-всплески, но думали, что это связано с инструментальными ограничениями, — говорит Бин-бин Чжан из Нанкинского университета в Китае и Университета Невады в Лас-Вегасе. — Этот всплеск особенный, потому что это определенно кратковременный гамма-всплеск, но другие его свойства указывают на его происхождение от коллапсирующей звезды. Теперь мы знаем, что умирающие звезды также могут давать короткие всплески».
Видео: астрономы объединили данные космического гамма-телескопа Ферми НАСА, других космических миссий и наземных обсерваторий, чтобы выявить происхождение GRB 200826A — короткой, но мощной вспышки излучения. Известно, что это самая короткая вспышка, вызванная коллапсирующей звездой — можно сказать, что ее и не было. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Эта вспышка, названная GRB 200826A по дате ее возникновения, является предметом двух статей, опубликованных в журнале Nature Astronomy. В первой, возглавляемой Чжаном, исследуются данные о гамма-лучах. Вторая работа, возглавляемая Томасом Аумада, сотрудником Университета Мэриленда и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, описывает затухающее многоволновое послесвечение GRB и возникающий свет от последовавшего взрыва сверхновой.
«Мы думаем, что это событие фактически закончилось ничем — ведь его почти не было, — считает Аумада. — Тем не менее всплеск излучает в 14 миллионов раз больше энергии, чем вся галактика Млечный Путь за то же время. Это делает всплеск одним из самых энергичных короткоживущих гамма-всплесков, когда-либо наблюдавшихся».
Когда у звезды, более массивной, чем Солнце, заканчивается топливо, ее ядро внезапно коллапсирует и образует черную дыру. По мере того, как материя кружится в сторону черной дыры, часть ее вырывается в виде двух мощных струй, которые устремляются наружу почти со скоростью света в противоположных направлениях. Астрономы обнаруживают гамма-всплеск только тогда, когда один из этих джетов направлен почти прямо на Землю.
Каждая струя проходит сквозь звезду, производя импульс гамма-лучей — наиболее высокоэнергетической формы света — который может длиться до нескольких минут. После взрыва разрушенная звезда затем быстро расширяется как сверхновая.
С другой стороны, короткие гамма-всплески образуются, когда пары компактных объектов, таких как нейтронные звезды, которые также образуются во время звездного коллапса, спиралевидно движутся внутрь в течение миллиардов лет и сталкиваются. Наблюдения Ферми недавно помогли показать, что в соседних галактиках гигантские вспышки от изолированных сверхнамагниченных нейтронных звезд также маскируются под короткие гамма-всплески.
GRB 200826A был резким выбросом высокой энергии, продолжавшимся всего 0,65 секунды. После эонов путешествия по расширяющейся Вселенной сигнал растянулся примерно до одной секунды, когда он был обнаружен монитором гамма-всплесков Ферми. Событие также появилось в приборах на борту миссии НАСА Wind, которая вращается вокруг точки между Землей и Солнцем, расположенной на расстоянии около 1,5 млн км, и Mars Odyssey, которая вращается вокруг Красной планеты с 2001 года. Взрыв зафиксировал и спутник Европейского космического агентства INTEGRAL.
Поскольку вспышка достигает каждого детектора в несколько разное время, любую пару из них можно использовать, чтобы сузить область неба, где она произошла. Примерно через 17 часов после GRB IPN сузил свое местоположение до относительно небольшого участка неба в созвездии Андромеды.
Используя Zwicky Transient Facility (ZTF) в Паломарской обсерватории, команда просканировала небо на предмет изменений в видимом свете, которые могут быть связаны с затухающим послесвечением гамма-всплеска.
«Проведение этого поиска похоже на попытку найти иголку в стоге сена, но IPN помогает уменьшить стог сена, — говорит Шрейя Ананд, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи о послесвечении. — Из более чем 28 000 предупреждений ZTF в первую ночь только одно соответствовало всем нашим критериям поиска и также появилось в пределах области неба, определенной IPN».
В течение дня после взрыва обсерватория НАСА Нила Герелса Свифта обнаружила исчезающее рентгеновское излучение из того же места. Пару дней спустя переменное радиоизлучение было обнаружено Очень большой антенной решеткой Карла Янски Национальной радиоастрономической обсерватории в Нью-Мексико. Затем команда начала наблюдать послесвечение с помощью различных наземных средств.
Наблюдая за слабой галактикой, связанной со взрывом, с помощью Gran Telescopio Canarias — 10,4-метрового телескопа в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на канарском острове Ла-Пальма, команда показала, что ее свет достигает нас за 6,6 миллиарда лет. Это 48% от нынешнего возраста Вселенной в 13,8 миллиарда лет.
Но чтобы доказать, что эта короткая вспышка произошла от коллапсирующей звезды, исследователям также необходимо было поймать появляющуюся сверхновую.
«Если взрыв был вызван коллапсирующей звездой, то, как только послесвечение угаснет, оно должно снова стать ярче из-за лежащего в основе взрыва сверхновой, — отметил Лео Сингер, астрофизик Годдарда и научный руководитель Ахумады. — Но на таких расстояниях вам понадобится очень большой и очень чувствительный телескоп, чтобы улавливать лучи света от сверхновой звезды на фоне бликов ее родительской галактики».
Для проведения поисков Сингеру было предоставлено время на 8,1-метровом телескопе Gemini North на Гавайях и на использование чувствительного инструмента, называемого многообъектным спектрографом Gemini. Астрономы изобразили галактику-хозяин в красном и инфракрасном свете, начав через 28 дней после вспышки, и повторили поиск через 45 и 80 дней после события. Они обнаружили источник в ближнем инфракрасном диапазоне — сверхновую — в первой серии наблюдений, которую нельзя было увидеть в более поздних.
Исследователи подозревают, что этот взрыв был вызван реактивными двигателями, которые едва выходили из звезды до того, как они отключились, а не более типичным случаем, когда из звезды вырываются долговечные струи и проходят на значительные расстояния от нее. Если бы черная дыра испускала более слабые струи или если бы звезда была намного больше, когда она начала коллапс, гамма-всплеска могло бы и не быть.
Открытие помогает решить давнюю загадку. В то время как длинные гамма-всплески должны быть связаны со сверхновыми, астрономы обнаруживают гораздо большее количество сверхновых, чем длинные гамма-всплески. Это несоответствие сохраняется даже с учетом того факта, что джеты гамма-всплеска должны почти попадать в зону прямой видимости, чтобы астрономы вообще могли их обнаружить.
Исследователи пришли к выводу, что коллапсирующие звезды, производящие короткие гамма-всплески, должны быть маргинальными случаями, когда струи со скоростью света колеблются на грани успеха или неудачи, что согласуется с представлением о том, что самые массивные звезды умирают, не производя джетов и гамма-всплесков вообще. В более широком смысле этот результат ясно демонстрирует, что длительность всплеска сама по себе не указывает однозначно на его происхождение.
27.07.2021
Елена Краснова
Нет комментариев