Несподівана кілонова перевернула усталені уявлення про довгі гамма-сплески

Протягом майже двох десятиліть астрофізики вважали, що довгі гамма-сплески (ГС) виникають виключно внаслідок колапсу масивних зірок. Тепер нове дослідження спростовує цю усталену й давно прийняту думку.

Група астрофізиків під керівництвом Північно-Західного університету розкрила нові докази того, що принаймні деякі довгі ГС можуть виникати внаслідок злиття нейтронних зірок, які, як вважалося раніше, виробляють тільки короткі ГС.

Після виявлення 50-секундного ГС у грудні 2021 року команда почала пошук післясвітіння довгого ГС — неймовірно яскравого спалаху світла, що швидко згасає, і який часто передує надновій. Але замість цього вони виявили ознаки кілонової — рідкісної події, яка відбувається тільки після злиття нейтронної зорі з іншим компактним об′єктом (або іншою нейтронною зіркою, або чорною дірою).

Крім того, що нове відкриття кидає виклик давно усталеним уявленням про те, як довго формуються ГС, воно також дає змогу по-новому поглянути на загадкове утворення найважчих елементів у Всесвіті.

Результати дослідження опубліковані 7 грудня в журналі Nature у статті "Кілонова, що слідує за тривалим гамма-сплеском на 350 Мпк".

“Ця подія не схожа ні на що інше, що ми бачили раніше від довгого гамма-сплеску”, - каже очільниця дослідження Джилліан Растінежад. “Його гамма-промені схожі на гамма-промені, що виникають під час колапсу масивних зірок. З огляду на те, що всі інші підтверджені злиття нейтронних зірок, які ми спостерігали, супроводжувалися сплесками тривалістю менше як дві секунди, у нас були всі підстави очікувати, що цей 50-секундний ГС був породжений колапсом масивної зірки. Ця подія являє собою захопливу зміну парадигм в астрономії гамма-сплесків”.

“Коли ми стежили за цим довгим гамма-сплеском, ми очікували, що він призведе до доказу колапсу масивної зірки”, - сказав старший автор дослідження Вен-Фай Фонг. “Замість цього ми виявили зовсім інше. Коли я прийшов у цю сферу 15 років тому, було заведено вважати, що довгі гамма-сплески відбуваються внаслідок колапсу масивних зірок. Це несподіване відкриття не тільки являє собою серйозне зрушення в нашому розумінні, а й відкриває нове вікно для відкриттів”.

Фонг — доцент кафедри фізики та астрономії у Вайнберзькому коледжі мистецтв і наук Північно-Західного університету та один з ключових співробітників Центру міждисциплінарних досліджень у галузі астрофізики (CIERA). Растінежад, аспірантка CIERA та учасниця дослідницької групи Фонга, є першою авторкою статті.

Довгий розподіл

Найяскравіші та найенергійніші вибухи з часів Великого вибуху, ГС діляться на два класи. ГС з тривалістю менш як дві секунди вважаються короткими ГС. Якщо ГС триває понад дві секунди, то він вважається довгим ГС. Раніше дослідники вважали, що ГС по обидва боки від розділової лінії повинні мати різне походження.

У грудні 2021 року телескоп спостереження за спалахами обсерваторії Ніла Герелса Свіфта й космічний гамма-телескоп Фермі помітили яскравий сплеск гамма-випромінювання, названий GRB211211A. Тривалістю трохи більш як 50 секунд, GRB211211A спочатку не здавався чимось особливим. Але, перебуваючи на відстані близько 1,1 мільярда світлових років — а це, хочете вірте, хочете ні, відносно недалеко від Землі, — астрофізики вирішили детально вивчити цю "близьку" подію, використовуючи безліч телескопів, здатних вести спостереження у всьому електромагнітному спектрі.

Щоб отримати зображення події в ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, команда швидко почала спостереження з обсерваторії Джеміні на Гаваях. Після двох днів спостережень з Джеміні, Растінежад занепокоїлася, що не зможе отримати чітке зображення.

На цьому зображенні, зробленому телескопом Джеміні-Північ, накладеному на зображення, отримане за допомогою космічного телескопа Габбла, видно характерне післясвітіння кілонової, утвореної довгим ГС (GRB 211211A), в ближньому інфрачервоному діапазоні. Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani; NASA/ESA

“Погода на Гаваях погіршувалася, і ми були так розчаровані, тому що почали виявляти натяки на те, що цей сплеск не схожий на жодне, що ми бачили раніше”, - сказала вона. “На щастя, Північно-Західний університет надає нам віддалений доступ до обсерваторії ММТ в Аризоні, і на наступний день на цей телескоп був встановлений ідеальний інструмент. Там було хмарно, але оператори телескопа знали, наскільки важливий цей сплеск, і знайшли просвіт між хмарами, щоб зробити наші знімки. Це було напружено, але так захопливо — отримати ці зображення в реальному часі”.

"Явна ознака кілонової"

Вивчивши зображення в ближньому інфрачервоному діапазоні, команда помітила неймовірно тьмяний об′єкт, який швидко зникав. Наднові не зникають так швидко та вони набагато яскравіші, тому команда зрозуміла, що знайшла щось несподіване, що раніше вважалося неможливим.

“У нашому нічному небі є багато об′єктів, які швидко тьмяніють”, - сказав Фонг. “Ми знімаємо джерело у різних фільтрах, щоб отримати інформацію про колір, яка допомагає нам визначити його приналежність. У цьому випадку переважав червоний колір, а блакитні кольори зникали швидше. Така еволюція кольору є характерною ознакою кілонової, а кілонові можуть виникати тільки в результаті злиття нейтронних зірок”.

Оскільки нейтронні зорі є чистими, компактними об′єктами, дослідники раніше вважали, що нейтронні зорі не містять достатньо матеріалу, щоб викликати довготривалий ГС. Масивні зорі, з іншого боку, можуть у десятки й сотні разів перевищувати масу нашого Сонця. Коли зоря при смерті колапсує, її матеріал падає всередину й живить новоутворену чорну діру. Але, завдяки магнітним полям чорної діри, частина матеріалу, що падає всередину, вилітає назовні зі швидкістю, близькою до швидкості світла, що призводить до появи ГС.

“Коли ви збираєте разом дві нейтронні зірки, у них не так вже й багато маси”, - пояснив Фонг. Невелика кількість маси накопичується, а потім призводить до дуже короткого спалаху. У разі колапсу масивних зірок, які традиційно призводять до триваліших гамма-сплесків, час живлення більший”.

Зміна пошуку

Подія була не єдиною дивною частиною дослідження. Галактика-господар GRB також вельми цікава. Названа SDSS J140910.47+275320.8, галактика-господар є молодою та зореутворювальною, що майже повністю протилежно єдиному іншому відомому в локальному Всесвіті господареві події злиття нейтронних зірок: галактики NGC4993 з GW170817. Для аналізу галактики-господаря команда використовувала дані обсерваторії В.М. Кека.

“Після виявлення події GW170817 та її асоціації з масивною, червоно-мертвою галактикою-господарем, багато астрономів припустили, що галактики-господарі злиттів нейтронних зірок у найближчому Всесвіті будуть схожими на NGC4993”, - каже Аня Нуджент, аспірантка Північно-Західного університету та співавторка дослідження. “Але ця галактика доволі молода, активно формує зорі й насправді не така масивна. Насправді вона більше схожа на власницю короткого ГС, які спостерігаються в глибшій частині Всесвіту. Я думаю, це змінює наше уявлення про типи галактик, які ми повинні спостерігати під час пошуку прилеглих кілонових”.

Це також змінює підхід астрофізиків до пошуку важких елементів, таких як платина та золото. Хоча дослідники змогли вивчити астрономічні фабрики з виробництва легких елементів, таких як гелій, кремній та вуглець, астрофізики припускають, що вибухи наднових і злиття нейтронних зірок виробляють найважчі елементи. Однак чіткі сліди їх створення спостерігаються рідко.

“Кілонові живляться внаслідок радіоактивного розпаду деяких із найважчих елементів у Всесвіті”, - сказав Растінежад. “Але кілонові дуже важко спостерігати, і вони дуже швидко зникають. Тепер ми знаємо, що можемо також використовувати довгі гамма-сплески для пошуку нових кілонових”.

Тепер, коли запущено космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), астрофізики зможуть знайти більше підказок щодо кілонових. Оскільки JWST здатний отримувати зображення та спектри астрономічних об′єктів, він може виявити специфічні елементи, випромінювані об′єктом. Використовуючи "Вебб", астрофізики нарешті зможуть отримати прямі спостережні докази утворення важких елементів.

“На жаль, навіть найкращі наземні телескопи недостатньо чутливі для проведення спектроскопії”, - сказав Растінежад. “За допомогою JWST ми могли б отримати спектр кілонової. Ці спектральні лінії дають прямий доказ того, що ви виявили найважчі елементи”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.