Ферми из НАСА обнаружил странный импульс высокоэнергетического излучения, мчащегося к Земле

Когда ядро ​​массивной звезды коллапсирует, она может образовать черную дыру. Часть окружающего материала просачивается наружу в виде мощных струй, устремляющихся наружу почти со скоростью света в противоположных направлениях, как показано здесь. Струи коллапсирующих звезд обычно производят гамма-лучи в течение от нескольких секунд до минут. Астрономы считают, что джеты GRB 200826A быстро отключились, вызвав самый короткий гамма-всплеск (фиолетовый) от коллапсирующей звезды из когда-либо виденных. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Крис Смит (KBRwyle)

26 августа 2020 года космический гамма-телескоп Ферми НАСА обнаружил импульс высокоэнергетического излучения, который летел к Земле почти половину жизни в нынешней Вселенной. Продолжавшийся всего около одной секунды, это оказался один из рекордов — самый короткий гамма-всплеск (GRB), вызванный смертью массивной звезды, которую когда-либо видели.

GRB — это самые мощные события во Вселенной, и их можно обнаружить через миллиарды световых лет. Астрономы классифицируют его как продолжительный или короткий в зависимости от того, продлится ли событие более двух секунд или меньше. Они наблюдали длинные взрывы, связанные с гибелью массивных звезд, в то время как короткие взрывы связаны с другим сценарием.

Астрономы собрали данные космического гамма-телескопа Ферми НАСА, других космических миссий и наземных обсерваторий, чтобы выявить происхождение GRB 200826A, короткой, но мощной вспышки излучения. Это самый короткий из известных взрывов, вызванный коллапсирующей звездой — и его почти никогда не было. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

«Мы уже знали, что некоторые гамма-всплески массивных звезд могут регистрироваться как короткие гамма-всплески, но мы думали, что это связано с механистическими ограничениями», — сказал Бин-бин Чжан из Нанкинского университета в Китае и Университета Невады в Лас-Вегасе. «Этот всплеск особенный, потому что это определенно недолговечный гамма-всплеск, но другие его характеристики указывают на его происхождение от коллапсирующей звезды. Теперь мы знаем, что умирающие звезды также могут давать короткие всплески».

Извержение было названо GRB 200826A в честь даты его возникновения и является предметом двух статей, опубликованных в журнале Nature Astronomy в понедельник, 26 июля. Первый, возглавляемый Чжаном, исследует данные гамма-излучения. Второй, возглавляемый Томасом Ахомада, докторантом Университета Мэриленда, Колледж-Парка и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, описывает угасание исчезающих множественных длин волн полярных сияний гамма-всплеска и возникающий свет последующей сверхновой. взрыв.

«Мы думаем, что это событие было фактически провалом, событием, которое вообще могло произойти», — сказал Ахумада. «Однако за тот же период времени взрыв высвободил в 14 миллионов раз больше энергии, чем весь Млечный Путь, что сделало его одним из самых активных гамма-всплесков ближнего действия за всю историю».

Когда у звезды, которая намного больше Солнца, заканчивается топливо, ее ядро ​​внезапно коллапсирует и образует черную дыру. По мере того, как вещество вращается в сторону черной дыры, часть его ускользает в виде двух мощных струй, устремляющихся наружу со скоростью, близкой к скорости света, в противоположных направлениях. Астрономы обнаруживают гамма-всплеск только тогда, когда один из этих джетов направлен почти прямо на Землю.

Каждая струя проходит через звезду, создавая импульс гамма-лучей — формы света с наивысшей энергией — который может длиться до нескольких минут. После взрыва разрушенная звезда быстро превращается в сверхновую.

С другой стороны, короткие гамма-всплески образуются, когда пары компактных объектов, таких как нейтронные звезды, которые также образуются во время звездного коллапса, сталкиваются внутрь в течение миллиардов лет. Недавние наблюдения Ферми помогли показать, что в соседних галактиках гигантские вспышки от изолированных нейтронных звезд и супермагнитных звезд также маскируются под короткие гамма-всплески.

GRB 200826A был резким выбросом высокоэнергетических выбросов, который длился всего 0,65 секунды. После прохождения нескольких эонов через расширяющуюся Вселенную сигнал растянулся примерно до одной секунды, когда он был обнаружен прибором Ферми, наблюдающим гамма-всплеск. Это событие также было показано в инструментах на борту миссии НАСА Wind, которая вращается вокруг точки между Землей и Солнцем на расстоянии около 930 000 миль (1,5 миллиона километров) от Земли, и Mars Odyssey, которая вращается вокруг красной планеты с 2001 года. ESA (European Space Continuity) ) Спутник агентства ИНТЕГРАЛ тоже взорвался.

Все эти миссии участвуют в системе позиционирования GRB, называемой Международной планетарной сетью (IPN), для которой проект Fermi обеспечивает все финансирование США. Поскольку брызги достигают каждого детектора в несколько разное время, можно использовать любую пару из них, чтобы сузить область неба, где они возникают. Примерно через 17 часов после GRB IPN сузил свое положение до относительно небольшого участка неба в созвездии Андромеды.

Используя финансируемый Национальным научным фондом транзитный объект Zwicky Transit Facility (ZTF) в Паломарской обсерватории, команда просканировала небо на предмет изменений в видимом свете, которые могут быть связаны с исчезающими полярными сияниями GRB.

GRB 200826 Обнаружено исчезающее изображение полярного сияния (в центре). Предоставлено: ZTF и T. Ahumada et al. , 2021 г.

«Проведение этого исследования похоже на попытку найти иголку в стоге сена, но IPN помогает уменьшить стог сена», — сказал Шрейя Ананд, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи «Сумерки». «Из более чем 28 000 предупреждений ZTF в первую ночь только одно соответствовало всем нашим критериям поиска и также появилось в области неба, определенной IPN».

В течение суток после взрыва обсерватория НАСА Нила Герелла Свифта обнаружила исчезающее рентгеновское излучение из того же места. Два дня спустя переменное радиоизлучение было обнаружено очень большой антенной решеткой Карла Янски Национальной астрономической радиообсерватории в Нью-Мексико. Затем команда начала наблюдать за полярным сиянием с помощью различных наземных средств.

Наблюдая за слабой галактикой, связанной со взрывом, с помощью Gran Telescopio Canarias, 10,4-метрового телескопа в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос в Ла-Пальме на испанских Канарских островах, команда показала, что ее свет достигает нас за 6,6 миллиарда лет. Это составляет 48% от нынешнего возраста Вселенной, составляющего 13,8 миллиарда лет.

Но чтобы доказать, что эта короткая вспышка произошла из-за коллапса звезды, исследователям также необходимо было запечатлеть появляющуюся сверхновую.

«Если взрыв был вызван коллапсом звезды, то, как только последующее сияние угаснет, оно должно снова загореться из-за первичного взрыва сверхновой», — сказал Лео Сингер, астрофизик из Годдарда и советник по исследованиям Ахумады. «Но на таких расстояниях вам понадобится очень большой и очень чувствительный телескоп, чтобы уловить точку света от сверхновой звезды на фоне яркого света родительской галактики».

Для проведения исследования Сингеру было предоставлено время на 8,1-метровом северном телескопе Gemini на Гавайях и с использованием чувствительного инструмента, называемого многообъектным спектрометром Gemini. Астрономы изобразили галактику-хозяин в красном и инфракрасном свете через 28 дней после взрыва, повторив поиск через 45 и 80 дней после события. Они обнаружили источник в ближнем инфракрасном диапазоне — сверхновую — в первой серии наблюдений, которую невозможно увидеть в последующих наблюдениях.

Исследователи полагают, что этот взрыв был вызван джетами, которые едва вылетели из звезды перед закрытием, а не более распространенным случаем, когда длительные струи вылетают из звезды и распространяются на большие расстояния от нее. Если черная дыра испускала более слабые струи или если звезда была намного больше, когда начала коллапсировать, то гамма-всплеска могло не быть вообще.

Это открытие помогает разгадать давнюю загадку. Хотя длинные гамма-всплески должны быть связаны со сверхновыми, астрономы открывают гораздо большее количество сверхновых, чем длинные. Это несоответствие сохраняется даже с учетом того факта, что гамма-всплески должны приближаться к нашей прямой видимости, чтобы астрономы вообще могли их обнаружить.

Исследователи пришли к выводу, что коллапсирующие звезды, которые производят короткие гамма-всплески, должны быть краевыми состояниями, колеблющимися со скоростью света на грани успеха или неудачи, что согласуется с идеей о том, что самые массивные звезды умирают, не производя джетов и гамма-всплесков вообще. В более широком смысле, этот результат ясно демонстрирует, что длительность всплеска сама по себе не указывает однозначно его источник.

Использованная литература:

«Странный короткоживущий гамма-всплеск в результате коллапса ядра массивной звезды» Б.-Б. Чанг, З.-К. Лю, З.-К. Бинг, Ю. Ли, Х.-К. Лу, Дж .; Ян, Ю.-С. Ян, Ю.-Х. Ян, Ю.-З. Мэн, гр. Zou, H.-Y. Ага, X.-G. Ван, Ж.-Р. Мао, X.-H. Чау, c. Бэй, А.Г .; Кастро; Тирадо, Ю.-Д. Он, З.-Г. День, E .; Лян и Б. Чжан, 26 июля 2021 г., доступно здесь. естественная астрономия.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01395-z

«Открытие и подтверждение кратчайшего гамма-всплеска от коллапса» Томаса Ахомада, Лео Б. Певец, Шрейя Ананд, Майкл В. Кафлин, Манси М. , Harsh Kumar, Peter TH Pang, Eric Burns, Virginia Cunningham, Simone Dichiara, Tim Dietrich, Dimitri S. Свенкин, Моза Мвала, Альберто Дж. Астро-Тирадо, Кешалаи Д., Рэйчел Данвуди, Прадип Джаткин, Эрика Хаммерштейн, Шабнам Иани, Джозеф Манган, Дэн Берли, Соналика Буркаяста, Эрик Бельм, Варун Балерау, Брайс Болин, Маттиа Паула, Кристоферти Канелла, Пунам Чандра, Дмитрий А. Дав, Дмитрий Фредерикс, Авишай Гал Ям, Мэттью Грэм, Анна И Цю Хо, Кевин Херли, Вирадж Карампилкар, Эрик К. Коул, старший помощник Калкарни, Ашиш Махабал, Фрэнк Масси, Шейла МакБрейн, Шаши Б. Панди, Симеон Риош, Анна Редная, Филип Роснетт, Бенджамин Рашолм, Анна Сегес Карраседо, Роджер Смит, Майан Соманиак, Роберт Штайн, Элеонора Трога, Анастасия Цветкова, Ричард Уолтерс Азме Валев, 26 июля 2021 г., естественная астрономия.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01428-7

Космический телескоп Fermi Gamma Ray — это партнерство в области астрофизики и физики элементарных частиц, которым управляет Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Fermi был разработан в сотрудничестве с Министерством энергетики США при важном участии академических институтов и партнеров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.