Вчені вивчають найпотужніший гамма-спалах у Всесвіті

0
2 645 views
Зображення XMM-Newton зафіксували 20 пилових кілець
Зображення XMM-Newton зафіксували 20 пилових кілець, 19 з яких показано тут довільними кольорами. Цей композит об’єднує спостереження, зроблені через два та п’ять днів після виверження GRB 221009A. Темні смуги вказують на проміжки між детекторами. Детальний аналіз показує, що найширше кільце, яке можна побачити тут, порівнянне з видимим розміром повного місяця, походить від пилових хмар, розташованих приблизно за 1300 світлових років від нас. Внутрішнє кільце виникло з пилу на відстані 61 000 світлових років – на іншому боці нашої галактики. GRB221009A є лише сьомим гамма-спалахом, який показує рентгенівські кільця. Авторство: ESA/XMM-Newton/M. Рігозеллі (INAF)

9 жовтня 2022 року Сонячною системою прокотився імпульс інтенсивного випромінювання настільки виняткового, що астрономи швидко охрестили його BOAT – the brightest of all time – найяскравішим за всі часи.

Джерелом став гамма-спалах (GRB), найпотужніший клас вибухів у Всесвіті.

BOAT

Спалах спрацював на численних космічних кораблях, а також обсерваторії по всьому світу. Проаналізувавши всі ці дані, астрономи тепер можуть охарактеризувати, наскільки яскравим він був, і краще зрозуміти його науковий вплив.

«GRB 221009A був, ймовірно, найяскравішим спалахом рентгенівського та гамма-випромінювання з часу виникнення людської цивілізації», — сказав Ерік Бернс, доцент кафедри фізики та астрономії в Університеті штату Луїзіана в Батон-Ружі.

Він провів аналіз приблизно 7000 гамма-всплесків, які в основному були виявлені космічним гамма-телескопом NASA Fermi та інструментом Konus на космічному кораблі NASA Wind, щоб визначити, як часто можуть відбуватися такі яскраві події. Їхня відповідь: один раз на 10 000 років.

BOAT був настільки яскравим, що фактично засліпив більшість гамма-інструментів у космос
BOAT був настільки яскравим, що фактично засліпив більшість гамма-інструментів у космосі, але американські вчені змогли реконструювати його справжню яскравість за даними Фермі.
Авторство: Центр космічних польотів імені Годдарда НАСА та Адам Голдштейн (USRA)

Спалах був настільки яскравим, що фактично засліпив більшість гамма-інструментів у космосі, що означає, що вони не могли безпосередньо зафіксувати реальну інтенсивність випромінювання. Американські вчені змогли реконструювати цю інформацію за даними Фермі. Потім вони порівняли результати з результатами російської команди, яка працювала над даними Konus, і китайських команд, які аналізували спостереження з детектора GECAM-C на їх супутнику SATech-01 і інструментів на їх обсерваторії Insight-HXMT. Разом вони доводять, що сплеск був у 70 разів яскравішим, ніж будь-який з тих, що бачили досі.

Бернс та інші вчені представили нові відкриття про BOAT на засіданні відділу астрофізики високих енергій Американського астрономічного товариства у Вайколоа, Гаваї. Спостереження за спалахом охоплюють весь спектр, від радіохвиль до гамма-променів, і включають дані багатьох місій NASA та партнерів, включаючи рентгенівський телескоп NICER на Міжнародній космічній станції, обсерваторію NASA NuSTAR і навіть «Вояджер-1» у міжзоряному просторі. Статті з описом представлених результатів з’являються в головному випуску The Astrophysical Journal Letters.

Народження чорних дір

Сигнал від GRB 221009A поширювався близько 1,9 мільярда років, перш ніж він досяг Землі, що робить його одним з найближчих відомих «довгих» GRB, чиє початкове або миттєве випромінювання триває більше двох секунд. Астрономи вважають, що ці спалахи представляють крики народження чорних дір, які утворюються, коли ядра масивних зірок руйнуються під власною вагою.

Швидко поглинаючи навколишню речовину, чорна діра викидає струмені в протилежних напрямках, що містять частинки, прискорені майже до швидкості світла. Ці струмені пронизують зірку, випромінюючи рентгенівські та гамма-промені, коли вони спрямовуються в космос.

За допомогою цього типу GRB астрономи очікують знайти яскравішу наднову через кілька тижнів, але поки це виявляється невловимим. Однією з причин є те, що GRB з’явився в частині неба, яка знаходиться всього на кілька градусів над площиною нашої власної галактики, де густі хмари пилу можуть сильно затемнювати вхідне світло.

«Ми не можемо однозначно стверджувати, що існує наднова, що дивно, враховуючи яскравість спалаху», — зазначив Ендрю Леван, професор астрофізики в Університеті Радбауд у Неймегені, Нідерланди.

Оскільки пилові хмари стають більш прозорими в інфрачервоному випромінюванні, Леван провів спостереження в ближньому та середньому інфрачервоному діапазоні за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба NASA – його першого використання для такого роду досліджень – а також космічного телескопа Хаббла, щоб виявити наднову.

«Якщо вона є, то дуже слабка. Ми плануємо продовжувати пошуки, — додав він, — але можливо, що вся зірка впала просто в чорну діру, а не вибухнула».

Додаткові спостереження Вебба та Хаббла плануються протягом наступних кількох місяців.

Багатохвильове післясвітіння

Оскільки струмені продовжують розширюватися в матеріал, що оточує приречену зірку, вони створюють багатохвильове післясвітіння, яке поступово зникає.

компоненти довгого гамма-спалаху, найпоширенішого типу
На цій ілюстрації показано компоненти довгого гамма-спалаху, найпоширенішого типу. Ядро масивної зірки (ліворуч) зруйнувалося, утворивши чорну діру, яка посилає струмінь частинок, що рухаються крізь зірку, що колапсує, у космос майже зі швидкістю світла. Випромінювання по всьому спектру виникає від гарячого іонізованого газу (плазми) поблизу новонародженої чорної діри, зіткнень між оболонками швидко рухомого газу всередині струменя (внутрішні ударні хвилі) і від переднього краю струменя, коли він піднімається вгору і взаємодіє з навколишнім середовищем (зовнішній удар).
Авторство: Центр космічних польотів Годдарда NASA

«Цей сплеск був настільки близьким і таким яскравим, що надав нам безпрецедентну можливість зібрати спостереження післясвітіння в електромагнітному спектрі та перевірити, наскільки добре наші моделі відображають те, що насправді відбувається в реактивних реактивних випромінювачах», — сказала Кейт Александер, доцент кафедри кафедри астрономії Університету Арізони в Тусоні.

За її словами, двадцять п’ять років моделей післясвітіння, які дуже добре працювали, не можуть повністю пояснити цей струмінь. Зокрема, вчені знайшли новий радіокомпонент, який поки не до кінця зрозумілий. Це може вказувати на додаткову структуру всередині струменя або свідчити про необхідність переглянути моделі взаємодії GRB-джетів з навколишнім середовищем.

Віддалені хмари пилу

Спалах також дозволив астрономам досліджувати віддалені хмари пилу в нашій галактиці. Коли швидкі рентгенівські промені рухалися до нас, деякі з них відбивалися від шарів пилу, створюючи розширене «світлове відлуння» початкового вибуху у формі рентгенівських кілець, що розширювалися від місця вибуху. Рентгенівський телескоп в обсерваторії імені Ніла Герельса Свіфта NASA виявив наявність серії відлунь. Детальне спостереження за допомогою телескопа XMM-Newton ESA (Європейського космічного агентства) разом із даними Swift показало, що ці надзвичайні кільця створені 21 різною хмарою пилу (див. головну ілюстрацію під заголовком).

«Яким чином хмари пилу розсіюють рентгенівське випромінювання, залежить від відстані до них, розмірів частинок пилу та енергії рентгенівського випромінювання», — пояснив Серхіо Кампана, керівник досліджень в обсерваторії Брера та Національному інституті астрофізики в Мерате, Італія.

Вчені змогли використати кільця, щоб реконструювати частину швидкого рентгенівського випромінювання спалаху та визначити, де в нашій галактиці розташовані хмари пилу.

Нарешті, сплеск дає можливість дослідити велике космічне питання.

«Ми вважаємо чорні діри всепоглинаючими речами, але чи вони також повертають енергію у Всесвіт?» — питає Мікела Негро, астрофізик з Університету Меріленда.

Її команда змогла дослідити пилові кільця за допомогою Imaging X-ray Polarimetry Explorer NASA, щоб побачити, як було організовано швидке випромінювання, що може дати розуміння того, як формуються струмені. Крім того, невеликий ступінь поляризації, що спостерігається у фазі післясвітіння, підтверджує, що ми дивилися на струмінь майже прямо в лоб.

Разом із подібними вимірюваннями, які зараз вивчає команда з використанням даних обсерваторії ESA INTEGRAL, вчені кажуть, що, можливо, можна довести, що струмені BOAT приводилися в дію завдяки використанню енергії магнітного поля, посиленого обертанням чорної діри. Прогнози, засновані на таких моделях, уже успішно пояснили інші аспекти цього спалаху.