Яркий гамма-всплеск ставит под сомнение модели рождения черных дыр

Анализ полученных из многих обсерваторий данных о самом ярком из виденных до сих пор гамма-всплесков указывают на то, что мы не совсем правильно понимаем, как коллапсируют звезды.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Беркли, передают OstanniPodii.com.

В октябре прошлого года, после одной из самых ярких из когда-либо наблюдаемых в небе вспышек гамма-излучения, телескопы во всем мире собрали множество данных о событии, которое, как считается, предвещает коллапс массивной звезды и рождение черной дыры.

Но эта куча данных ясно показала, что наше понимание того, как звезды коллапсируют и при этом генерируют огромные струи исходного материала, сопровождаемые мощными взрывами рентгеновского и гамма-излучения — и, вероятно, большим количеством тяжелых элементов — крайне неадекватно.

"Данные настолько качественные, что, по сути, модели потерпели неудачу — глубокую неудачу", - говорит Раффаэлла Маргутти, доцент астрономии и физики в Беркли. "Это имеет смысл, потому что модели не очень сложны. Природа говорит: "Ну, то, что вы видите, это, вероятно, отток, который имеет гораздо больше компонентов, чем вы думаете"".

Подробности многочисленных наблюдений с помощью радио-, оптических, рентгеновских и гамма-телескопов на днях были представлены на заседании Отдела астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества в Вайколоа, Гавайи, а также в статьях, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Маргутти была среди астрономов, которые мобилизовали обсерватории во всем мире после того, как 9 октября 2022 года двумя спутниками НАСА был зафиксирован всплеск гамма-лучей. Названный GRB 221009A, он длился более 300 секунд, что позволяет отнести его к "долговременным" гамма-всплескам (GRB) и связать его с коллапсом ядра массивной звезды в черную дыру — эта звезда расположена на расстоянии около 1,9 миллиарда световых лет от Земли. Считается, что коллапс ядра выталкивает материал с полюсов звезды в высоко коллимированных струях со скоростями, близкими к скорости света. Если Земля оказывается на пути струи (джета), мы видим всплеск гамма-излучения.

"Когда джеты врезаются в газ вокруг умирающей звезды, возникает яркое послесвечение во всем спектре", - говорит Танмой Ласкар, доцент кафедры физики и астрономии Университета Юты и ведущий автор исследования, принятого журналом ApJ Letters. "Послесвечение GRB исчезает довольно быстро, поэтому мы должны были быстро и проворно поймать свет, прежде чем он исчезнет, забирая с собой свои секреты".

Многоспектровая астрономия

Маргутти, Ласкар и их коллеги быстро запустили программы наблюдений на спутнике НАСА NuSTAR, а также наблюдения на ряде других объектов, включая Гигантский метровый радиотелескоп (GMRT) в Индии, массив MeerKAT в Южной Африке, Очень большой массив (VLA) Национального научного фонда США имени Карла Г. Янского в Нью-Мексико (США), Атакамский большой миллиметровый массив (ALMA) в Чили и Субмиллиметровый массив (SMA) на Гавайях. Многоспектровые наблюдения, собранные исследователями, на сегодняшний день представляют собой один из самых подробных наборов данных о послесвечении GRB. Хотя исследователи считают, что вспышка связана со взрывом массивной звезды, они пока не нашли доказательств наличия света от сверхновой.

Считается, что всплески гамма-лучей возникают, когда массивная звезда коллапсирует в черную дыру (слева), посылая струи высокоскоростного материала наружу вдоль своих полюсов. Когда материал врезается в пыль и газ вокруг звезды, происходит излучение во всем спектре за счет горячего ионизированного газа (плазмы) в окрестностях новорожденной черной дыры, столкновений между оболочками быстро движущегося газа внутри струи (внутренние ударные волны) и от переднего края струи, когда она взлетает вверх и взаимодействует с окружающей средой (внешний удар). Послесвечение может быть видно в течение нескольких месяцев или лет. Телескопы на Земле и в космосе зафиксировали множество этих различных длин волн света от GRB 221009A, что позволило провести детальный анализ этого события. (Credit: NASA Goddard Space Flight Center)

Благодаря наблюдениям NuSTAR исследователи с высокой точностью измерили форму рентгеновского спектра, что позволило оценить, как частицы ускоряются ударной волной взрыва и закручиваются по спирали вокруг магнитных полей, вызванных взрывом.

"Наблюдения NuSTAR были очень важными для этого исследования, потому что они помогли нам определить силу магнитного поля в послесвечении", - говорит Маргутти. Знание силы магнитного поля очень важно, поскольку без него невозможно легко оценить истинную энергию взрыва.

В результате анализа астрономы обнаружили, что энергия джета была типичной для большинства GRB, хотя с Земли она выглядела примерно в 70 раз ярче, чем любая предыдущая GRB.

"Мы считаем, что ярким этот GRB делает не столько высокая собственная энергия, сколько особенно узкий угол, в который направляется эта энергия", - говорит Кейт Александер, доцент астрономии в Аризонском университете, соавтор исследования.

Проанализировав и объединив данные всех этих телескопов, они обнаружили, что радиоизмерения были ярче, чем ожидалось на основе только рентгеновского и видимого света. Это не соответствовало признакам обратного удара - гипотетической ситуации, когда ударная волна распространяется обратно струей и вызывает радиоизлучение, - но указывало на то, что произошло нечто более сложное, когда струя пробила материал, окружающий звезду при ее коллапсе.

"Либо мы не понимаем обратные ударные волны, либо мы нашли совершенно новый компонент излучения", - сказал Ласкар.

"Мы думаем, что все еще существует очень быстро движущаяся струя, которая генерирует рентгеновские лучи и видимый свет в этом послесвечении", - добавляет Маргутти. "Но наше моделирование предполагает, что радиоизлучение создается чем-то другим".

Широкоугольная камера 3 космического телескопа "Хаббл" показала инфракрасное послесвечение (обведено кружком) всплеска гамма-лучей и галактики-хозяйки, который виден почти вплотную как полоска света, тянущаяся справа вверх от вспышки. Эта композиция содержит изображения, сделанные 8 ноября и 4 декабря 2022 года, через один и два месяца после вспышки. На снимке объединены три изображения в ближнем инфракрасном участке, сделанные ежедневно на длинах волн от 1 до 1,5 микрон, а его ширина составляет 2,2 угловых минут. (Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan [Radboud University]. Image Processing: Gladys Kober)

Наблюдения за джетами от столкновения нейтронных звезд, например, показывают, что джеты сопровождаются турбулентностью вокруг узкого ядра джета, которое с расстояния выглядит как оболочка из материала.

"Мы знаем, что джеты, запускаемые во время слияния нейтронных звезд, развивают крылья из менее коллимированного материала вокруг очень узкого ядра", - говорит Маргутти. "Естественно ожидать, что аналогичный эффект произойдет со струей, которая должна пронизать значительно большее количество материала - например, массивную звезду, как в случае с GRB 221009A. Таким образом, мы действительно ожидаем джет с очень узким ядром, доминирующим в высокоэнергетическом излучении, окруженным оболочкой из материала".

Какова бы ни была причина, полученные данные свидетельствуют о необходимости пересмотра теории джетов GRB, существовавшей десятилетиями, сказал Ласкар.

Маргутти подчеркнула, что этот звездный коллапс может еще многое рассказать астрономам. Послесвечение все еще можно обнаружить и, вероятно, оно будет наблюдаться в течение многих лет. Она и ее коллеги планируют наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, космического телескопа Хаббла и многих наземных телескопов, чтобы проследить за изменением света от GRB 221009A. И в какой-то момент, когда струи от звездного взрыва отойдут от черной дыры на достаточное расстояние, чтобы стать видимыми, они надеются получить их изображение с помощью радиоинтерферометров, таких как Антенный массив с очень большими базами, который охватывает полушарие Земли.

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