Лучшая демонстрация необычайного космического взрыва — проблемы, положившие начало теории гамма-всплесков во Вселенной.

Впечатление художника от релятивистского гамма-всплеска (GRB), взрыва коллапсирующей звезды и испускания высокоэнергетических фотонов. Предоставлено: DESY, Лаборатория научных коммуникаций.

Это наблюдение ставит под сомнение устоявшуюся теорию гамма-всплесков во Вселенной.

Ученые получили лучший вид на самые яркие взрывы во Вселенной: специализированная обсерватория в Намибии зафиксировала самое мощное излучение и самые длинные гамма-сияния из так называемых гамма-всплесков (GRB) на сегодняшний день. Наблюдения с использованием стереоскопической системы высоких энергий (HESS) ставят под сомнение устоявшееся представление о том, как гамма-лучи производятся в этих массивных вспышках звездообразования, которые являются криком рождения черных дыр, сообщает международная команда в журнале. Наука.

«Гамма-всплески — это вспышки ярких рентгеновских и гамма-лучей, наблюдаемые в небе и излучаемые источниками далеко за пределами галактики», — объясняет это DESY Сильвия Чу, одна из авторов статьи. Это самые большие взрывы во Вселенной, связанные с коллапсом массивной быстро вращающейся звезды в A Черная дыра. Часть высвободившейся гравитационной энергии подпитывает создание сверхважной взрывной волны. Его излучение разделено на две отдельные фазы: мгновенная хаотическая фаза, длящаяся десятки секунд, за которой следует длительная фаза затухания, плавно затухающая ».

29 августа 2019 года спутники Fermi и Swift зафиксировали гамма-всплеск в созвездии Эридана. Событие, классифицированное как GRB 190829A в соответствии с датой его возникновения, оказалось одним из ближайших наблюдаемых до сих пор гамма-всплесков на расстоянии около миллиарда световых лет. Для сравнения: типичный гамма-всплеск находится на расстоянии около 20 миллиардов световых лет. «Мы действительно сидели в первом ряду, когда произошла вспышка гамма-излучения», — объясняет соавтор Эндрю Тейлор из DESY. Команда уловила послесвечение сразу же, когда оно стало видимым в телескопы HESS. «Мы смогли наблюдать последующие полярные сияния в течение нескольких дней и беспрецедентные энергии гамма-лучей», — говорит Тейлор.

Относительно небольшое расстояние до этого гамма-всплеска позволило детально измерить спектр послесвечения, который представляет собой распределение «цветов» или энергий фотонов излучения в диапазоне очень высоких энергий. «Мы можем определить спектр GRB 190829A до 3,3 ТэВ, что примерно в триллион раз больше энергии, чем у фотонов видимого света», — объясняет соавтор Эдна Руис-Веласко из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге. . «Это очень необычная вещь о гамма-всплеске — это произошло на заднем дворе космоса, где фотоны очень высоких энергий не поглощались в столкновениях с фоновым светом на пути к Земле, как это происходит на больших расстояниях во Вселенной».

Впечатление художника о фотонах высоких энергий от гамма-всплеска, вошедшего в атмосферу Земли и начальных атмосферных ливнях, снятое телескопами стереоскопической системы высоких энергий (HESS) в Намибии. Предоставлено: DESY, Лаборатория научных коммуникаций.

Команда может следить за полярным сиянием в течение трех дней после первого взрыва. Результат оказался неожиданным: «Наши наблюдения выявили любопытное сходство между рентгеновскими лучами и высокоэнергетическим гамма-излучением от полярных сияний после вспышки», — сказал Чу. Хорошо зарекомендовавшие себя теории утверждают, что два элемента излучения должны создаваться отдельными механизмами: рентгеновский компонент возникает из сверхбыстрых электронов, отклоняемых сильными магнитными полями окружающей среды взрыва. Этот «синхротронный» процесс очень похож на то, как ускорители элементарных частиц на Земле производят яркое рентгеновское излучение для научных исследований.

Однако, согласно существующим теориям, казалось очень маловероятным, что даже самые мощные взрывы во Вселенной могут ускорить электроны настолько, чтобы произвести непосредственно наблюдаемые высокоэнергетические гамма-лучи. Это связано с «пределом горения», который определяется балансом ускорения и охлаждения частиц внутри ускорителя. Для производства высокоэнергетических гамма-лучей необходимы электроны с энергией, превышающей предел горения. Вместо этого современные теории утверждают, что при гамма-всплеске быстрые электроны сталкиваются с синхротронными фотонами и таким образом усиливают их, чтобы преобразоваться в энергии гамма-лучей в процессе, называемом самосинхротроном Комптона.

Рентгеновские лучи от гамма-всплеска были обнаружены спутником НАСА Swift на околоземной орбите. Гамма-лучи высоких энергий вошли в атмосферу и начали купаться в воздухе, обнаруженном телескопами HESS с Земли (впечатление художника). Предоставлено: DESY, Лаборатория научных коммуникаций.

Но наблюдения послесвечения GRB 190829A теперь показывают, что оба компонента, рентгеновское и гамма-излучение, затухали синхронно. Кроме того, спектр гамма-лучей четко соответствует экстраполяции рентгеновского спектра. Вместе эти результаты являются убедительным свидетельством того, что высокоэнергетические рентгеновские лучи и гамма-лучи в этом послесвечении были произведены одним и тем же механизмом. «Несколько неожиданно, что такие удивительно похожие спектральные и временные свойства наблюдались бы в диапазонах очень высоких энергий гамма-лучей и рентгеновских лучей, если бы излучения в этих двух диапазонах имели разное происхождение», — говорит соавтор Дмитрий. Хангулян. Университет Риккё в Токио. Это ставит под сомнение собственное синхротронное происхождение высокоэнергетического гамма-излучения.

Далеко идущие последствия этой возможности подчеркивают необходимость дальнейших исследований высокоэнергетических выбросов гамма-всплесков после полярного сияния. GRB 190829A — четвертый гамма-всплеск, обнаруженный с Земли. Однако ранее обнаруженные извержения произошли гораздо дальше во Вселенной, и их последующее свечение можно наблюдать только в течение нескольких часов каждое, а не для энергий более 1 тераэлектронвольта (ТэВ). «В будущем перспективы обнаружения гамма-всплесков с помощью инструментов следующего поколения, таких как массив черенковских телескопов, который в настоящее время строится в чилийских Андах и на Канарском острове Ла-Пальма, выглядят многообещающими», — сказал представитель HESS. Стефан Вагнер из Landessternwarte Heidelberg. «Общее обилие гамма-всплесков заставляет нас ожидать, что регулярные обнаружения в диапазоне очень высоких энергий станут довольно распространенными, что поможет нам полностью понять их физику».

Ссылка: «Обнаружение временного и спектрального сходства с рентгеновскими и гамма-лучами в послесвечении GRB 190829A» в сотрудничестве с HESS, 3 июня 2021 г., Наука.
DOI: 10.1126 / science.abe8560

Более 230 ученых из 41 института в 15 странах (Намибия, Южная Африка, Германия, Франция, Великобритания, Ирландия, Италия, Австрия, Нидерланды, Польша, Швеция, Армения, Япония, Китай и Австралия), включая HESS International Сотрудничество, способствовало этому исследованию. HESS — это система из пяти черенковских телескопов для визуализации атмосферы, которая исследует космические гамма-лучи. Название HESS расшифровывается как High Energy Stereoscopic System, и оно также предназначено в честь Виктора Франца Гесса, которому в 1936 году была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие космического излучения. HESS расположен в Намибии, недалеко от горы Гамсберг, района, известного своим превосходным качеством изображения. Четыре телескопа HESS были введены в эксплуатацию в 2002/03 году, гораздо более крупный пятый телескоп — HESS II — работал с июля 2012 года, расширяя охват по мощности в сторону более низких энергий и увеличения чувствительности. В 2015-2016 годах камеры первых четырех телескопов HESS были полностью отремонтированы с использованием новейшей электроники и, в частности, считывающего чипа NECTAr, разработанного для следующего крупного эксперимента в этой области, массива черенковских телескопов (CTA), для которого DESY будет разместить собственный Центр управления наукой о данных на Цойтене.

DESY является одним из ведущих мировых центров ускорителей частиц и исследует структуру и функции материи — от взаимодействия крошечных элементарных частиц и поведения новых наноматериалов и жизненно важных биомолекул до великих загадок Вселенной. Ускорители и детекторы элементарных частиц, разработанные и изготовленные DESY на предприятиях в Гамбурге и Цойтене, являются уникальными инструментами исследования. Они генерируют самые интенсивные в мире рентгеновские лучи, ускоряя частицы, чтобы регистрировать энергию и открывать новые окна во Вселенную. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца, крупнейшего научного общества Германии, и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).