Яскравий гамма-спалах ставить під сумнів моделі народження чорних дір

Аналіз отриманих з багатьох обсерваторій даних про найяскравіший з бачених досі гамма-спалахів вказує на те, що ми не зовсім правильно розуміємо, як колапсують зорі.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Берклі, передають OstanniPodii.com.

У жовтні минулого року, після одного з найяскравіших з коли-небудь спостережуваних у небі спалахів гамма-випромінювання, телескопи в усьому світі зібрали безліч даних про подію, яка, як вважається, передвіщає колапс масивної зірки та народження чорної діри.

Але ця купа даних ясно показала, що наше розуміння того, як зорі колапсують і при цьому генерують величезні струмені вихідного матеріалу, супроводжувані потужними вибухами рентгенівського та гамма-випромінювання — та, ймовірно, великою кількістю важких елементів — вкрай неадекватне.

“Дані настільки якісні, що, по суті, моделі зазнали невдачі — глибокої невдачі”, - каже Раффаелла Маргутті, доцентка астрономії та фізики в Берклі. “Це має сенс, тому що моделі не дуже складні. Природа каже: "Ну, те, що ви бачите, це, ймовірно, відтік, який має набагато більше компонентів, ніж ви думаєте"”.

Подробиці численних спостережень за допомогою радіо-, оптичних, рентгенівських і гамма-телескопів на днях було представлено на засіданні Відділу астрофізики високих енергій Американського астрономічного товариства у Вайколоа, Гаваї, а також у статтях, опублікованих у журналі The Astrophysical Journal Letters.

Маргутті була серед астрономів, які мобілізували обсерваторії в усьому світі після того, як 9 жовтня 2022 року двома супутниками НАСА було зафіксовано сплеск гамма-променів. Названий GRB 221009A, він тривав понад 300 секунд, що дає змогу віднести його до "довготривалих" гамма-спалахів (GRB) і пов′язати його з колапсом ядра масивної зірки в чорну діру — ця зоря розташована на відстані близько 1,9 мільярда світлових років від Землі. Вважається, що колапс ядра виштовхує матеріал з полюсів зірки у високо колімованих струменях зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Якщо Земля опиняється на шляху струменя (джета), ми бачимо сплеск гамма-випромінювання.

“Коли джети врізаються в газ навколо зірки, що вмирає, виникає яскраве післясвітіння в усьому спектрі”, - каже Танмой Ласкар, доцент кафедри фізики й астрономії Університету Юти й провідний автор дослідження, прийнятого журналом ApJ Letters. “Післясвітіння GRB зникає досить швидко, тому ми повинні були швидко і моторно зловити світло, перш ніж воно зникне, забираючи з собою свої секрети”.

Багатоспектрова астрономія

Маргутті, Ласкар та їхні колеги швидко запустили програми спостережень на супутнику НАСА NuSTAR, а також спостереження на низці інших об′єктів, включно з Гігантським метровим радіотелескопом (GMRT) в Індії, масивом MeerKAT в Південній Африці, Дуже великим масивом (VLA) Національного наукового фонду США імені Карла Г. Янського в Нью-Мексико (США), Атакамський великий міліметровий масив (ALMA) в Чилі та Субміліметровий масив (SMA) на Гаваях. Багатоспектрові спостереження, зібрані дослідниками, на сьогодні являють собою один з найдокладніших наборів даних про післясвітіння GRB. Хоча дослідники вважають, що спалах пов′язаний з вибухом масивної зірки, вони поки не знайшли доказів наявності світла від наднової.

Вважається, що сплески гамма-променів виникають, коли масивна зоря колапсує в чорну діру (зліва), посилаючи струмені високошвидкісного матеріалу назовні вздовж своїх полюсів. Коли матеріал врізається в пил і газ навколо зірки, відбувається випромінювання в усьому спектрі за рахунок гарячого іонізованого газу (плазми) на околицях новонародженої чорної діри, зіткнень між оболонками газу, що швидко рухається, усередині струменя (внутрішні ударні хвилі) та від переднього краю струменя, коли він злітає вгору та взаємодіє з навколишнім середовищем (зовнішній удар). Післясвітіння може бути видно протягом кількох місяців або років. Телескопи на Землі та в космосі зафіксували безліч цих різних довжин хвиль світла від GRB 221009A, що дало змогу провести детальний аналіз цієї події. (Credit: NASA Goddard Space Flight Center)

Завдяки спостереженням NuSTAR дослідники з високою точністю виміряли форму рентгенівського спектра, що дало змогу оцінити, як частинки прискорюються ударною хвилею вибуху та закручуються по спіралі навколо магнітних полів, спричинених вибухом.

“Спостереження NuSTAR були дуже важливими для цього дослідження, тому що вони допомогли нам визначити силу магнітного поля в післясвітінні”, - каже Маргутті. Знання сили магнітного поля дуже важливе, оскільки без нього неможливо легко оцінити справжню енергію вибуху.

У результаті аналізу астрономи виявили, що енергія джета була типовою для більшості GRB, хоча із Землі вона виглядала приблизно у 70 разів яскравішою, ніж будь-яка попередня GRB.

“Ми вважаємо, що яскравим цей GRB робить не стільки висока власна енергія, скільки особливо вузький кут, у який спрямовується ця енергія”, - каже Кейт Александер, доцентка астрономії в Аризонському університеті, співавторка дослідження.

Проаналізувавши та об′єднавши дані всіх цих телескопів, вони виявили, що радіовимірювання були яскравішими, ніж очікувалося на основі лише рентгенівського та видимого світла. Це не відповідало ознакам зворотного удару — гіпотетичної ситуації, коли ударна хвиля поширюється назад струменем і спричиняє радіовипромінювання, — але вказувало на те, що сталося щось складніше, коли струмінь пробив матеріал, що оточує зорю при її колапсі.

“Або ми не розуміємо зворотні ударні хвилі, або ми знайшли абсолютно новий компонент випромінювання”, - сказав Ласкар.

“Ми думаємо, що все ще існує дуже швидко рухомий струмінь, який генерує рентгенівські промені та видиме світло в цьому післясвітінні”, - додає Маргутті. “Але наше моделювання передбачає, що радіовипромінювання створюється чимось іншим”.

Ширококутова камера 3 космічного телескопа "Габбл" показала інфрачервоне післясвітіння (обведене кружком) спалаху гамма-променів і галактики-господаря, яку видно майже впритул як смужку світла, що тягнеться праворуч вгору від спалаху. Ця композиція містить зображення, зроблені 8 листопада і 4 грудня 2022 року, через один і два місяці після спалаху. На знімку об′єднано три зображення в ближній інфрачервоній ділянці, зроблені щодня на довжинах хвиль від 1 до 1,5 мікрон, а його ширина становить 2,2 кутових хвилин. (Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan [Radboud University]. Image Processing: Gladys Kober)

Спостереження за джетами від зіткнення нейтронних зірок, наприклад, показують, що джети супроводжуються турбулентністю навколо вузького ядра джета, яке з відстані виглядає як оболонка з матеріалу.

“Ми знаємо, що джети, що запускаються під час злиття нейтронних зірок, розвивають крила з менш колімованого матеріалу навколо дуже вузького ядра”, - каже Маргутті. “Природно очікувати, що аналогічний ефект відбудеться зі струменем, який має пронизати значно більшу кількість матеріалу — наприклад, масивну зірку, як у випадку з GRB 221009A. Таким чином, ми справді очікуємо джет з дуже вузьким ядром, що домінує у високоенергетичному випромінюванні, оточеним оболонкою з матеріалу”.

Яка б не була причина, отримані дані свідчать про необхідність перегляду теорії джетів GRB, що існувала десятиліттями, сказав Ласкар.

Маргутті підкреслила, що цей зоряний колапс може ще багато чого розповісти астрономам. Післясвітіння все ще можна виявити та, ймовірно, воно буде спостерігатися протягом багатьох років. Вона та її колеги планують спостереження за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, космічного телескопа Габбла і багатьох наземних телескопів, щоб простежити за зміною світла від GRB 221009A. І в якийсь момент, коли струмені від зоряного вибуху відійдуть від чорної діри на достатню відстань, щоб стати видимими, вони сподіваються отримати їхнє зображення за допомогою радіоінтерферометрів, таких як Антенний масив дуже великими базами, який охоплює півкулі Землі.

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