Произошедшая раз в истории цивилизации вспышка гамма-излучения привела к массовым наблюдениям с помощью более чем 160 телескопов. Это вынудило ученых начать пересмотр многих давних теорий.
9 октября 2022 года аспирант астрофизики Университета Алабамы в Хантсвилле Стивен Лесаж был на футбольном матче Высшей лиги во время посещения Атланты, когда его телефон зазвонил и не прекращал вызов. Взглянув на него, он понял, что должен идти.
«Мы сразу поняли, что это большое событие», говорит он. В своем гостиничном номере он сидел за своим компьютером, разбирая данные до 3 часов ночи и помог предупредить сообщество астрофизиков о гамма-всплеске (GRB), который ученые позже назовут BOAT, самой яркой за все время.
Помимо превосходной степени, огромное количество света, настолько сильное, что первоначальный всплеск перегрузил возможности большинства космических телескопов, также означает больше информации об источнике. За 55 лет, прошедших с момента открытия гамма-всплесков, астрономы разработали некоторые идеи о том, откуда они берутся. Самые яркие и энергичные из этих всплесков, такие как BOAT, возникают, когда массивная звезда коллапсирует в черную дыру. При этом он испускает встречные высокоскоростные струи частиц и света. Когда эти струи нацелены на Землю, мы видим, как они вызывают всплеск высокоэнергетического электромагнитного излучения, известного как гамма-лучи.
Коллега Лесажа Эрик Бернс, астрофизик из Университета штата Луизиана, возглавил скоординированные последующие поиски этого события, официально известного как GRB 221009A. В этой работе участвовало не менее 162 телескопов. И эти наблюдения позволяют ученым заглянуть в сердце гамма-всплесков – самого сильного и энергичного типа взрыва во Вселенной.
Когда массивная звезда умирает, ее центр начинает взрываться. Часто ее внешние слои взрываются во вспышке, называемой сверхновой – ярчайшей «новейшей звездой». Иногда, если звезда содержит достаточную массу, схлопывающееся ядро из-за своей чрезвычайной плотности коллапсирует в черную дыру, и какой-то неизвестный процесс может породить две противоположные струи быстро движущихся частиц и света.
Эти высокоскоростные струи быстро движутся сквозь внешние слои газа звезды. Если один направлен под углом к Земле, то телескопы сначала увидят импульс, предшествующий полному гамма-всплеску, так называемый быстрый сигнал. И если гамма-всплеск окажется достаточно близко к Земле, и обсерватории смогут увидеть самый центр, как это было в случае с BOAT, то исследователи смогут изучить загадочный процесс, запускающий эти космические струи.
После того, как высокоэнергетические лучи покидают звезду, они врезаются в менее плотный близлежащий материал – газ и пыль, плавающие между звездами. Это столкновение высвобождает ударную волну, нагревая ближайший газ в послесвечении. Это свечение видно в широком диапазоне света, от радиоволн до видимого света и вплоть до гамма-лучей. В конце концов послесвечение исчезает в течение нескольких дней или лет.
Астрономы зафиксировали быстрый сигнал GRB 221009A с помощью нескольких телескопов и послесвечение более чем 100 других детекторов.
В прошлом году, 9 октября, в 13:17 по всемирному координированному времени, или в 9:17 утра по восточному времени США, волна гамма-лучей затопила бортовые детекторы космического телескопа Ферми. Это было первое обнаружение события. Но исследователи не сразу заметили это из-за случайности со спутниками связи НАСА, говорит Коллин Уилсон-Ходж, главный исследователь прибора Ферми для контроля гамма-всплесков.
Примерно через час другой космический телескоп, обсерватория Нила Герелса Свифта, облетел Землю и заметил то же место на небе. Он обнаружил яркое рентгеновское послесвечение, которое насторожило научное сообщество.
Как только Свифт объявил об обнаружении яркого сигнала, другой член команды Ферми, Элизабетта Биссальди из Политехнического университета Бари в Италии, изучила данные и обнаружила, что телескоп зафиксировал первоначальный взрыв. В этот момент Лесаж получил уведомление по телефону и оставил футбольный матч, чтобы начать анализировать энергию взрыва.
Вплоть до полуночи после обнаружения группы Ферми и Свифт работали вместе, чтобы подтвердить, что беспрецедентный сигнал исходит от чрезвычайно яркого гамма-всплеска. К следующему утру другие исследователи готовили дополнительные телескопы, чтобы посмотреть.
И Ферми, и Свифт были временно подавлены яркостью вспышки, собрав так много света, что их детекторы перенасытились. Но китайский космический телескоп GECAM-C не был ослеплен, что позволило астрономам измерить энергию первоначального гамма-взрыва.
«Это самая яркая вспышка из всех когда-либо виденных, почти в 70 раз», говорит Бернс. Такая чрезвычайная яркость связана с тем, что гамма-всплеск находился относительно близко, примерно в двух миллиардах световых лет от нас, и он также оказался яркой по своей сути вспышкой.
Телескоп Ферми видит гамма-лучи, энергия которых в миллионы и миллиарды раз превышает энергию видимого света, но эти лучи электромагнитного излучения также бывают очень высокоэнергетическими. Их энергии в тысячи или миллионы раз выше, чем то, что видит Ферми, и, к счастью, Большая обсерватория высотных воздушных ливней (LHAASO) в округе Даочэн, Китай, зафиксировала сигналы, генерируемые, когда гамма-лучи с самой высокой энергией BOAT разрушали атмосферу Земли.
LHAASO собрал десятки тысяч фотонов, количество, невиданное ранее в гамма-астрономии, через несколько минут после первоначального взрыва и в послесвечение. Обсерватория также собрала гамма-лучи с самой высокой энергией за всю историю гамма-всплесков, настолько высокие, что некоторые астрофизики предполагают, что они могут указывать на новую физику и намеки на невидимую таинственную материю.
Согласно современным теориям, эти фотоны с самой высокой энергией не должны пройти через Вселенную в течение двух миллиардов лет, как видно из GRB 221009A. Однако один из способов обнаружить эти сигналы – преобразовать гамма-лучи очень высокой энергии в гипотетическую частицу темной материи, называемую аксионом, которая затем беспрепятственно путешествует по Вселенной и преобразуется обратно, как только достигает магнитного поля нашей галактики.
«Мы не знаем, существуют ли они», говорит Лара Нава из Национального института астрофизики в Италии, имея в виду аксионы. Но «вполне можно с уверенностью сказать, что есть что-то необычное или есть какая-то нетрадиционная физика».
Каким бы путем экстремальные гамма-лучи ни пересекали космос, чтобы попасть к земным детекторам, эти наблюдения могут помочь раскрыть физику того, что приводит в действие необычные струи гамма-всплесков. В ранее наблюдаемых гамма-всплесках источник извергает свой первоначальный взрыв продолжительностью несколько секунд, затем очень ненадолго замолкает, прежде чем ударная волна, вызванная струей, начинает пропахивать близлежащий материал, заставляя его светиться.
По предположениям астрономов, это означает, что какой бы процесс ни запустил эти струи, они остановились после первого сигнала. Но GRB 221009A не успокоился, а это означает, что то, что движет струями, продолжается дольше, чем думали ученые.
Сравнивая гамма-лучи с самой высокой энергией с разновидностями более низких энергий, ученые могли бы начать собирать кусочки головоломки. По словам астрофизика из Университета Невады, Лас-Вегас, Бинга Чжана, сотрудничавшего с командой LHAASO и работавшего над теориями о причине всплеска, наблюдения показывают, что сильная магнитная активность в основном ответственна за запуск джетов. Но есть еще много данных, которые нужно пройти.
«Что касается понимания физики гамма-всплесков, мы, вероятно, будем переваривать это в течение многих лет», говорит Чжан.
Другие данные также указывают на то, что магнитные поля преобладают над джетами. Астрономы с помощью космической обсерватории НАСА под названием Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) и спутника Integral Европейского космического агентства изучили, как рентгеновские лучи отражаются от окружающей пыли, что может рассказать им об ориентации магнитных полей.
Обе команды заметили намеки на расположение или «упорядочение» магнитных полей таким образом, это что указывает на направление энергии из формирующейся черной дыры в струи, чего раньше не наблюдалось с таким уровнем детализации. «Это большая вещь», говорит физик Микела Негро из Университета штата Луизиана, руководившая анализом IXPE.
После обнаружения высокоэнергетических сигналов от BOAT астрономы также искали источник свечения самой сверхновой. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который видит инфракрасный свет, способный проникать сквозь газ и пыль, является идеальным телескопом для поиска этого свечения.
Эндрю Леван из Университета Радбауд в Нидерландах и его коллеги использовали JWST для поиска сигналов от этого взрыва сверхновой. В течение многих лет астрономы спорили о том, нужна ли для яркого гамма-всплеска яркая сверхновая.
«Теперь мы точно знаем, что ответ на этот вопрос – нет», говорит Леван. Либо сверхновой не существовало, либо она была настолько слабой, что ее нельзя было увидеть в наблюдениях JWST, собранных через 12 дней после вспышки. Другие обсерватории, изучавшие раннее послесвечение, такие как Гавайский панорамный обзорный телескоп и система быстрого реагирования (Pan-STARRS), действительно увидели признаки слабой сверхновой.
Затем наблюдениям помешало солнце, и большинство телескопов не могли снова смотреть на источник в течение нескольких месяцев. Еще одно наблюдение JWST, проведенное другой группой астрономов в апреле, выявило признаки свечения сверхновой, которое начинает проявляться. «Так что, возможно, на самом деле самые мощные гамма-всплески будут иметь слабые сверхновые», говорит Леван.
GRB 221009A в настоящее время является наиболее изученным гамма-всплеском в истории, и исследователи уже опубликовали десятки исследовательских работ о нем. Некоторые из этих анализов противоречат другим. Следующий шаг – собрать воедино то, как сотни отдельных наблюдений этого гамма-всплеска сочетаются друг с другом», говорит астрофизик из Оксфордского университета Лорен Родс, изучающая взрыв как в радио-, так и в оптическом свете.
Тем временем Бернс из LSU создает общую базу данных всех наблюдений, чтобы астрофизики могли изучить более широкую картину того, как развивался этот всплеск и что его вызвало. Исследователи десятилетиями задавались вопросом, что вызывает эти экстраординарные извержения в космосе, и BOAT может оказаться решающей для разгадки тайны.
«Это очень удивительное событие, говорит Негро. «Мы должны изучить все данные, которые у нас есть, и действительно работать вместе как сообщество, чтобы лучше понять, что происходит». Когда она и ее коллеги в последнюю минуту написали предложение по наблюдению GRB 221009A с помощью телескопа IXPE, она заявила, что «это событие происходит один раз в жизни человечества» и «сейчас или никогда».
Это не было преувеличением. Сравнив это событие с 50-летним архивом гамма-всплесков, Бернс подсчитал, что BOAT был не просто всплеском, который случается раз в жизни. «Это происходит примерно раз в 10 тысяч лет», говорит он. «Нам всем безумно повезло».
