Бросая вызов нашему пониманию Вселенной: астрономы обнаружили загадочный космический взрыв
Представление художника о гамма-всплеске

Художественная концепция гамма-всплеска, вызванного сильным столкновением двух массивных нейтронных звезд, после их вдохновляющего жуткого танца. В дополнение к высокоэнергетическому излучению и выбросу материи в виде узкой струи, это событие считается главной фабрикой Вселенной по производству тяжелых элементов, включая золото и платину. Авторы и права: А. Симоннет (Государственный университет Сономы) и Центр космических полетов имени Годдарда.

Гамма-всплески — это самые сильные взрывы во Вселенной, которые обычно вызываются коллапсом звезд или столкновением компактных звездных остатков. Однако недавнее открытие поставило под сомнение это понимание, поскольку оно не вписывается ни в одну из этих категорий. Астрономы из Института Нильса Бора сыграли важную роль в этом исследовании, которое может пересмотреть существующие теории об этих мощных событиях.

Даниэле Бьорн Малесани проводил обычные последующие наблюдения гамма-всплеска, названного GRB 211211A, с помощью Северного оптического телескопа на Канарском острове Ла-Пальма. Стандартная процедура после получения текстового сообщения, которое автоматически запускает космический корабль «Свифт-обсерватория Нила Герелса», который следит за небом на предмет гамма-всплесков.

Но что-то было совсем не так…

Изображение с космического телескопа Хаббла местоположения гамма-всплесков GRB 211211A и его окрестностей

Вид с космического телескопа Хаббла на место гамма-всплеска GRB 211211A и его окрестности. На увеличенном изображении видно послесвечение вспышки, наблюдаемое телескопом Gemini North на Гавайях. Двойная система, вызвавшая всплеск, вероятно, была выброшена в прошлом из большой голубоватой галактики слева от нее. Предоставлено: Международная обсерватория Близнецов/NOIRLab/NSF/AURA/M. Замани; НАСА/ЕКА

Малезани — астроном из Университета Радбауд в Нидерландах и приглашенный исследователь в Центре космического рассвета в Копенгагене. Он специализируется на гамма-всплесках, самых мощных взрывах во Вселенной.

Но чтобы понять, что не так, давайте сначала разберемся, что такое «гамма-всплеск»:

Яркий, как сама Вселенная

Гамма-всплески — это короткие и сверхяркие вспышки самой энергичной формы света, гамма-лучей. В основном обнаруживаемые в очень далекой Вселенной, они обычно делятся на две категории, которые, как считается, возникают в результате двух разных физических сценариев:

«Долгие» всплески обычно длятся от нескольких секунд до нескольких минут, но часто сопровождаются более длительным послесвечением менее энергичного света. Они находятся в самых звездообразующих областях галактик и считаются результатом коллапса массивной звезды в компактную нейтронную звезду или черную дыру , выбрасывающую свои внешние части в результате мощного взрыва, подобного взрыву сверхновой.

Северный оптический телескоп

Северный оптический телескоп на вершине горы Роче-де-лос-Мучачос высотой 2400 метров в Ла-Пальма. Авторы и права: Питер Лаурсен (Cosmic Dawn Center)

«Короткие» всплески еще более мимолетны, их типичная продолжительность составляет от 1/10 до 1 секунды. Их часто можно увидеть смещенными от галактических центров или даже за пределами галактик. Преобладающая теория состоит в том, что они являются результатом вращения двух массивных звезд друг вокруг друга в «бинарной» системе. В какой-то момент они взрываются как сверхновые, выбрасывая их за пределы принимающей галактики. Однако в конце концов два объекта сблизятся и сольются, что приведет к гамма-всплеску.

В обоих случаях высвобождаемая энергия умопомрачительна: на своем пике они могут сиять так же ярко, как все звезды в наблюдаемой Вселенной вместе взятые (при условии, что они излучают свет одинаково во всех направлениях; в действительности они, вероятно, несколько менее ярки). но излучают большую часть своего света в узких струях, где мы как раз и находимся в этом направлении).

Загадочные гамма-всплески

Гамма-всплески были впервые обнаружены в 1967 году спутником Vela, созданным для наблюдения за небом на предмет возможных испытаний ядерного оружия, что было бы нарушением Договора о запрещении ядерных испытаний 1963 года. Сначала предполагалось, что они происходят из близлежащих источников в нашей собственной галактике, но более чувствительные космические обсерватории в 1990-х годах обнаружили, что они должны исходить далеко за пределами Млечного Пути , распределенные по всей Вселенной.

Преходящая природа всплесков затрудняла их изучение, но с конца 1990-х годов астрономы смогли обнаружить также их менее энергичное послесвечение, от рентгеновского до оптического и инфракрасного, что помогло создать теорию их происхождения. .

Гамма-всплески бывают двух версий: «короткие» и «длинные», которые до сих пор считались вызванными двумя разными физическими механизмами, а именно слиянием двух компактных объектов и коллапсом массивной звезды соответственно. . С новыми наблюдениями эта теория теперь подвергается сомнению.

Смешанные сигналы

Так в чем же проблема со взрывом Малезани, GRB 211211A? Что ж, похоже, он не подходил ни к одной из этих категорий, а может, и к обеим. «Наблюдения показали, что всплеск возник за пределами галактики, типичной для коротких всплесков. Но вместо миллисекунды или нескольких секунд этот зверь длился почти минуту», — говорит Малесани.

Необычное событие побудило международную группу астрономов во главе с Джиллиан Растинежад из Северо-Западного университета (США) начать интенсивную кампанию по изучению этого удивительного объекта. Эти усилия привели к совершенно неожиданному открытию так называемой килоновой, неопровержимому доказательству столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

Слияния двойных нейтронных звезд широко считаются прародителями коротких гамма-всплесков. Астрономы были озадачены, почему вместо этого последовала длинная вспышка.

Лука Иззо, астроном исследовательской секции DARK в Институте Нильса Бора, принял участие в исследовании. Он комментирует: «Гамма-всплески могут вести себя по-разному, но различие между длинными и короткими событиями было четко установлено с 1990-х годов и считается одним из столпов в этой области. Это открытие застало нас врасплох».

Новый двигатель для добычи золота?

Считается, что килоновые являются основным механизмом создания тяжелых элементов, таких как драгоценное серебро, золото и платина, радиоактивный плутоний и уран, а также многих других. Как всегда в физике, точных доказательств того, что килоновая ответственна за длительный гамма-всплеск, не существует.

Когда астрономы все же уверены в своей интерпретации, то это обусловлено рядом обстоятельств. Йохан Финбо, профессор Центра Cosmic Dawn и участник исследования, объясняет:

«Послесвечение вспышки показало цвета и особенности, соответствующие килоновой, которые не наблюдались ни у каких других типов объектов. Более того, мы не ожидали увидеть коллапсирующую звезду за пределами галактики, поскольку путешествие так далеко занимает сотни миллионов лет, в то время как массивные звезды коллапсируют менее чем за 10 миллионов лет».

Но в принципе GRB 211211A может быть коллапсаром внутри слабой или запыленной, необнаруженной галактики, хотя изображения Хаббла действительно очень глубокие и должны были это увидеть. «Последующие наблюдения с помощью более чувствительных радиотелескопов ALMA в Чили или космического телескопа Джеймса Уэбба могли бы решить эту проблему», — отмечает Финбо.

Если интерпретация окажется правильной, она не только откроет новый захватывающий механизм образования тяжелых элементов килоновыми. Это также является сильной мотивацией для поиска новых килоновых на месте длинных всплесков.

«Килонова — относительно новое и неизученное для нас явление; на сегодняшний день мы обнаружили лишь несколько», — объясняет Даниэле Бьорн Малесани. «Поскольку мы не ожидали, что они будут связаны с длинными очередями, мы не искали их там. Но теперь мы знаем, что Природа более изобретательна, чем мы думали раньше».

Из предыдущего исследования, проведенного в 2006 году, трое астрономов поняли, что сталкивающиеся нейтронные звезды могут поддерживать активность своих двигателей дольше, чем несколько секунд. Но без обнаружения килоновой улики были запутанными. Одна из теорий состоит в том, что коллапсирующие нейтронные звезды могут вращаться так быстро — со значительной долей скорости света — что центробежные силы могут поддерживать слившийся объект на некоторое время и отсрочить его мрачную судьбу.

Будущие наблюдения более длинных всплесков килоновых расскажут нам больше об этом захватывающем явлении.

Ссылка: «Килонова после длительного гамма-всплеска на частоте 350 Мпк» Джиллиан С. Растинежад, Бенджамин П. Гомперц, Эндрю Дж. Леван, Вен-фай Фонг, Мэтт Николл, Гэвин П. Лэмб, Даниэле Б. Малезани, Аня Э. Ньюджент, Саманта Р. Оутс, Ниал Р. Танвир, Антонио де Угарте Постиго, Чарльз Д. Килпатрик, Кристофер Дж. Мур, Брайан Д. Мецгер, Мария Эдвиге Равасио, Андреа Росси, Женевьева Шредер, Джейкоб Дженксон, Дэвид Дж. Санд, Натан Смит, Хосе Фелисиано Агуи Фернандес, Эдо Бергер, Питер К. Бланшар, Райан Чорнок, Бетани Э. Кобб, Массимилиано Де Паскуале, Йохан Пью Финбо, Лука Иззо, Д. Александр Канн, Танмой Ласкар, Эстер Марини , Керри Патерсон, Алисия Роуко Эскориал, Хуэй М. Сирс и Кристина К. Тоне, 7 декабря 2022 г., Nature .
DOI: 10.1038/s41586-022-05390-w

астрономия
Дата публикации: 2023.01.17