Неожиданная килонова перевернула устоявшиеся представления о длинных гамма-всплесках

В течение почти двух десятилетий астрофизики считали, что длинные гамма-всплески (ГВ) возникают исключительно вследствие коллапса массивных звезд. Теперь новое исследование опровергает это устоявшееся и давно принятое мнение.

Группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета раскрыла новые доказательства того, что по крайней мере некоторые длинные ГВ могут возникать в результате слияния нейтронных звезд, которые, как считалось ранее, производят только короткие ГВ.

После обнаружения 50-секундного ГВ в декабре 2021 года команда начала поиск послесвечения длинного ГВ - невероятно яркой, быстро угасающей вспышки света, которая часто предшествует сверхновой. Но вместо этого они обнаружили признаки килоновой - редкого события, которое происходит только после слияния нейтронной звезды с другим компактным объектом (либо другой нейтронной звездой, либо черной дырой).

Помимо того, что новое открытие бросает вызов давно устоявшимся представлениям о том, как долго формируются ГВ, оно также позволяет по-новому взглянуть на загадочное образование самых тяжелых элементов во Вселенной.

Результаты исследования опубликованы 7 декабря в журнале Nature в статье "Килонова, следующая за длительным гамма-всплеском на 350 Мпк".

"Это событие не похоже ни на что другое, что мы видели раньше от длинного гамма-всплеска", - говорит руководитель исследования Джиллиан Растинежад. "Его гамма-лучи похожи на гамма-лучи, возникающие во время коллапса массивных звезд. Учитывая, что все другие подтвержденные слияния нейтронных звезд, которые мы наблюдали, сопровождались всплесками продолжительностью менее двух секунд, у нас были все основания ожидать, что этот 50-секундный ГВ был порожден коллапсом массивной звезды. Это событие представляет собой захватывающую смену парадигм в астрономии гамма-всплесков".

"Когда мы следили за этим длинным гамма-всплеском, мы ожидали, что он приведет к доказательству коллапса массивной звезды", - сказал старший автор исследования Вэн-Фай Фонг. "Вместо этого мы обнаружили совсем другое. Когда я пришел в эту сферу 15 лет назад, было принято считать, что длинные гамма-всплески происходят в результате коллапса массивных звезд. Это неожиданное открытие не только представляет собой серьезный сдвиг в нашем понимании, но и открывает новое окно для открытий".

Фонг - доцент кафедры физики и астрономии в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета и один из ключевых сотрудников Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). Растинежад, аспирантка CIERA и участница исследовательской группы Фонга, является первым автором статьи.

Длинное разделение

Самые яркие и самые энергичные взрывы со времен Большого взрыва, ГВ делятся на два класса. ГВ с продолжительностью менее двух секунд считаются короткими ГВ. Если ГВ длится более двух секунд, то он считается длинным ГВ. Ранее исследователи считали, что ГВ по обе стороны от разделительной линии должны иметь разное происхождение.

В декабре 2021 года телескоп наблюдения за всплесками обсерватории Нила Герелса Свифта и космический гамма-телескоп Ферми заметили яркий всплеск гамма-излучения, названный GRB211211A. Продолжительностью чуть более 50 секунд, GRB211211211A сначала не казался чем-то особенным. Но, находясь на расстоянии около 1,1 миллиарда световых лет - а это, хотите верьте, хотите нет, относительно недалеко от Земли, - астрофизики решили детально изучить это "близкое" событие, используя множество телескопов, способных вести наблюдения во всем электромагнитном спектре.

Чтобы получить изображение события в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, команда быстро начала наблюдения из обсерватории Джемини на Гавайях. После двух дней наблюдений с Джемини, Растинежад обеспокоилась, что не сможет получить четкое изображение.

На этом изображении, сделанном телескопом Джемини-Север, наложенном на изображение, полученное с помощью космического телескопа Хаббла, видно характерное послесвечение килоновой, образованной длинным ГВ (GRB 211211A), в ближнем инфракрасном диапазоне. Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA

"Погода на Гавайях ухудшалась, и мы были так разочарованы, потому что начали обнаруживать намеки на то, что этот всплеск не похож ни на одно, что мы видели раньше", - сказала она. "К счастью, Северо-Западный университет предоставляет нам удаленный доступ к обсерватории ММТ в Аризоне, и на следующий день на этот телескоп был установлен идеальный инструмент. Там было облачно, но операторы телескопа знали, насколько важен этот всплеск, и нашли просвет между облаками, чтобы сделать наши снимки. Это было напряженно, но так захватывающе - получить эти изображения в реальном времени".

"Явный признак килоновой"

Изучив изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, команда заметила невероятно тусклый объект, который быстро исчезал. Сверхновые не исчезают так быстро и они гораздо ярче, поэтому команда поняла, что нашла что-то неожиданное, что ранее считалось невозможным.

"В нашем ночном небе есть много объектов, которые быстро тускнеют", - сказал Фонг. "Мы снимаем источник в различных фильтрах, чтобы получить информацию о цвете, которая помогает нам определить его принадлежность. В этом случае преобладал красный цвет, а голубые цвета исчезали быстрее. Такая эволюция цвета является характерным признаком килоновой, а килоновы могут возникать только в результате слияния нейтронных звезд".

Поскольку нейтронные звезды являются чистыми, компактными объектами, исследователи ранее считали, что нейтронные звезды не содержат достаточно материала, чтобы вызвать долговременный ГВ. Массивные звезды, с другой стороны, могут в десятки и сотни раз превышать массу нашего Солнца. Когда умирающая звезда коллапсирует, ее материал падает внутрь и питает новообразованную черную дыру. Но, благодаря магнитным полям черной дыры, часть материала, падающего внутрь, вылетает наружу со скоростью, близкой к скорости света, что приводит к появлению ГВ.

"Когда вы собираете вместе две нейтронные звезды, у них не так уж и много массы", - пояснил Фонг. Небольшое количество массы накапливается, а затем приводит к очень короткой вспышке. В случае коллапса массивных звезд, которые традиционно приводят к более длительным гамма-всплескам, время питания больше".

Изменение поиска

Событие было не единственной странной частью исследования. Галактика-хозяин GRB также весьма интересна. Названная SDSS J140910.47+275320.8, галактика-хозяин является молодой и звездообразующей, что почти полностью противоположно единственному другому известному в локальной Вселенной хозяину события слияния нейтронных звезд: галактике NGC4993 с GW170817. Для анализа галактики-хозяина команда использовала данные обсерватории В.М. Кека.

"После обнаружения события GW170817 и его ассоциации с массивной, красно-мертвой галактикой-хозяином, многие астрономы предположили, что галактики-хозяева слияний нейтронных звезд в ближайшей Вселенной будут похожими на NGC4993", - говорит Аня Нуджент, аспирантка Северо-Западного университета и соавтор исследования. "Но эта галактика довольно молодая, активно формирует звезды и на самом деле не такая массивная. На самом деле она больше похожа на обладательницу короткого ГВ, которые наблюдаются в более глубокой части Вселенной. Я думаю, это меняет наше представление о типах галактик, которые мы должны наблюдать при поиске близлежащих килоновых".

Это также меняет подход астрофизиков к поиску тяжелых элементов, таких как платина и золото. Хотя исследователи смогли изучить астрономические фабрики по производству легких элементов, таких как гелий, кремний и углерод, астрофизики предполагают, что взрывы сверхновых и слияния нейтронных звезд производят самые тяжелые элементы. Однако четкие следы их создания наблюдаются редко.

"Килоновы подпитываются в результате радиоактивного распада некоторых из самых тяжелых элементов во Вселенной", - сказал Растинежад. "Но килоновы очень трудно наблюдать, и они очень быстро исчезают. Теперь мы знаем, что можем также использовать длинные гамма-всплески для поиска новых килоновых".

Теперь, когда запущен космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрофизики смогут найти больше подсказок относительно килоновых. Поскольку JWST способен получать изображения и спектры астрономических объектов, он может обнаружить специфические элементы, излучаемые объектом. Используя "Уэбб", астрофизики наконец-то смогут получить прямые наблюдательные доказательства образования тяжелых элементов.

"К сожалению, даже самые лучшие наземные телескопы недостаточно чувствительны для проведения спектроскопии", - сказал Растинежад. "С помощью JWST мы могли бы получить спектр килоновых линий. Эти спектральные линии дают прямое доказательство того, что вы обнаружили самые тяжелые элементы".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.