11 грудня 2021 року обсерваторія імені Ніла Герельса Свіфта та космічний гамма-телескоп імені Фермі виявили вибух високоенергетичного світла з околиць галактики, що знаходиться на відстані близько 1 мільярда світлових років. Ця подія похитнула розуміння вченими спалахів гамма-випромінювання (GRBs), найпотужніших подій у Всесвіті.
Протягом останніх кількох десятиліть астрономи зазвичай розділили гамма-всплески на дві категорії. Довгі спалахи випромінюють гамма-промені протягом двох або більше секунд і виникають внаслідок утворення щільних об’єктів, таких як чорні діри, у центрах масивних зірок, що колапсують. Короткі спалахи випромінюють гамма-промені менше ніж за дві секунди і викликані злиттям щільних об’єктів, таких як нейтронні зірки . Вчені іноді спостерігають короткі спалахи з подальшим спалахом видимого та інфрачервоного світла, що називається кілоновою.
Авторство: А. Симоннет (Університет штату Сонома) і Центр космічних польотів імені Годдарда NASA
Сплеск високої енергії
«Цей спалах, названий GRB 211211A, змінив парадигму, оскільки це перший довготривалий гамма-спалах, який простежується до злиття нейтронних зірок, — сказала Джилліан Растінеджад, аспірантка Північно-Західного університету в Еванстоні, штат Іллінойс, яка керувала однією командою, що вивчала сплеск. – Сплеск високої енергії тривав близько хвилини, і наші подальші спостереження привели до ідентифікації кілонової. Це відкриття має глибокі наслідки для того, як виникли важкі елементи Всесвіту».
Класичний короткий гамма-спалах починається з двох нейтронних зірок, що обертаються навколо, подрібнених залишків масивних зірок, які вибухнули як наднові. У міру того, як зірки обертаються все ближче, вони відривають один від одного насичений нейтронами матеріал. Вони також генерують гравітаційні хвилі , або брижі в просторі-часі, хоча в цій події їх не виявлено.
Згодом нейтронні зірки стикаються і зливаються, створюючи хмару гарячих уламків, що випромінюють світло на різних довжинах хвилі. Вчені припускають, що струмені високошвидкісних частинок, запущені в результаті злиття, створюють початковий гамма-спалах, перш ніж зіткнутися з уламками. Тепло, що утворюється в результаті радіоактивного розпаду елементів у насичених нейтронами уламках, ймовірно, створює видиме та інфрачервоне світло Кілонової. Цей розпад призводить до виробництва важких елементів, таких як золото і платина.
«Багато років тому Ніл Герельс, астрофізик і тезка Свіфта, припустив, що злиття нейтронних зірок може призвести до довгих спалахів, — сказала Елеонора Троя, астрофізик з Римського університету, яка очолила іншу групу, що вивчала спалахи. – Кілонова, яку ми спостерігали, є доказом того, що злиття пов’язують з цими довготривалими подіями, що змушує нас переосмислити, як утворюються чорні діри».
Фермі та Свіфт виявили сплеск одночасно, і Свіфт зміг швидко визначити його розташування в сузір’ї Волопаса, що дало змогу іншим установам швидко відреагувати на нього з подальшими спостереженнями. Їхні спостереження дали найраніший погляд на перші стадії кілонової.
Заглиблення спотережень
Багато дослідницьких груп заглибилися в спостереження, зібрані Свіфтом, Фермі, космічним телескопом Хаббла та іншими. Деякі припускають, що дивацтва спалаху можна пояснити злиттям нейтронної зірки з іншим масивним об’єктом, таким як чорна діра. Подія також відбулася відносно поблизу, за стандартами гамма-спалаху, що, можливо, дозволило телескопам вловити слабше світло кілонової. Можливо, деякі віддалені довгі спалахи також можуть породжувати кілонові, але ми не змогли їх побачити.
Світло після спалаху, яке називається післясвітовим випромінюванням, також демонструвало незвичайні особливості. Фермі виявив гамма-випромінювання високої енергії, яке починалося через 1,5 години після спалаху і тривало понад 2 години. Ці гамма-промені досягали енергії до 1 мільярда електронвольт. (Для порівняння, енергія видимого світла становить від 2 до 3 електронвольт.)
«Це перший раз, коли ми бачимо такий надлишок гамма-променів високої енергії в післясвіті події злиття. Зазвичай цей викид з часом зменшується, — сказав Алессіо Мей, докторант Наукового інституту Гран-Сассо в Л’Аквілі, Італія, який очолював групу, що вивчала дані. – Цілком можливо, що ці гамма-промені високої енергії походять від зіткнень між видимим світлом від кілонової та електронами в струменях частинок. Струмені можуть бути послаблюючими від початкового вибуху або новими, що живляться чорною дірою чи магнетаром, що утворилася».
Основне джерело важких елементів
Вчені вважають, що злиття нейтронних зірок є основним джерелом важких елементів у Всесвіті. Вони заснували свої оцінки на швидкості коротких спалахів, які, як вважають, відбуваються у всьому космосі. Тепер їм також доведеться враховувати довгі спалахи у своїх розрахунках.
Команда під керівництвом Бенджаміна Гомперца, астрофізика з Університету Бірмінгема у Сполученому Королівстві, розглянула всю криву блиску високої енергії або еволюцію яскравості події з часом. Вчені відзначили особливості, які можуть стати ключем для виявлення подібних інцидентів – тривалих спалахів у результаті злиття – у майбутньому, навіть тих, які менш помітні або віддалені. Чим більше астрономи зможуть знайти, тим більше вони зможуть уточнити своє розуміння цього нового класу явищ.
7 грудня 2022 року в науковому журналі Nature були опубліковані статті Растінеджада, Трої та Мея, а в журналі Nature Astronomy – стаття Гомперца.
