Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно может образовать черную дыру. Часть окружающего вещества вырывается наружу в виде мощных струй, которые устремляются наружу почти со скоростью света в противоположных направлениях, как показано здесь. Обычно джеты коллапсирующих звезд испускают гамма-лучи продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут. Астрономы считают, что выбросы GRB 200826A быстро закрылись, что привело к самому короткому гамма-всплеску (пурпурный цвет) от коллапсирующей звезды из когда-либо наблюдавшихся. Авторы и права: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Крис Смит (KBRwyle)
26 августа 2020 года космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» обнаружил импульс высокоэнергетического излучения, который приближался к Земле почти половину нынешнего возраста Вселенной. Продлившийся всего около секунды, он оказался в книге рекордов самым коротким гамма-всплеском (GRB), вызванным смертью массивной звезды из когда-либо наблюдавшихся.
Всплески — самые мощные события во Вселенной, которые можно обнаружить на расстоянии миллиардов световых лет. Астрономы классифицируют их как длинные или короткие в зависимости от того, длится ли событие больше или меньше двух секунд. Они наблюдают длинные вспышки, связанные с гибелью массивных звезд, в то время как короткие вспышки связаны с другим сценарием.
Астрономы объединили данные космического гамма-телескопа Ферми НАСА, других космических миссий и наземных обсерваторий, чтобы раскрыть происхождение GRB 200826A, короткого, но мощного всплеска излучения. Это самая короткая вспышка, вызванная коллапсом звезды, и ее почти 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 инструментальными ограничениями», — сказал Бин-бин Чжан из Нанкинского университета в Китае и Университета Невады в Лас-Вегасе. «Этот всплеск особенный, потому что это определенно кратковременный гамма-всплеск, но другие его свойства указывают на его происхождение от коллапсирующей звезды. Теперь мы знаем, что умирающие звезды тоже могут производить короткие вспышки».
Вспышка, названная GRB 200826A по дате ее возникновения, является предметом двух статей, опубликованных в журнале Nature Astronomy в понедельник, 26 июля. Первая, под руководством Чжана, исследует данные гамма-излучения. Второй, под руководством Томаса Аумада, докторанта Университета Мэриленда, Колледж-Парк и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, описывает исчезающее многоволновое послесвечение гамма-всплеска и возникающий свет после взрыва сверхновой.
«Мы думаем, что это событие было фактически провалом, который был близок к тому, чтобы вообще не состояться», — сказал Ахумада. «Тем не менее, всплеск испустил в 14 миллионов раз больше энергии, чем вся галактика Млечный Путь за то же время, что делает его одним из самых энергичных кратковременных гамма-всплесков, которые когда-либо наблюдались».
Когда у звезды гораздо более массивной, чем Солнце, заканчивается топливо, ее ядро внезапно коллапсирует и образует черную дыру. По мере того как материя закручивается к черной дыре, часть ее улетает в виде двух мощных струй, которые устремляются наружу почти со скоростью света в противоположных направлениях. Астрономы обнаруживают гамма-всплеск только тогда, когда одна из этих струй направлена почти прямо на Землю.
Каждая струя проходит сквозь звезду, производя импульс гамма-излучения — формы света с самой высокой энергией — который может длиться до нескольких минут. После взрыва разрушенная звезда быстро расширяется как сверхновая.
С другой стороны, короткие гамма-всплески образуются, когда пары компактных объектов, таких как нейтронные звезды, которые также образуются во время звездного коллапса, движутся по спирали внутрь в течение миллиардов лет и сталкиваются. Недавно наблюдения Ферми помогли показать, что в близлежащих галактиках гигантские вспышки от изолированных сверхнамагниченных нейтронных звезд также маскируются под короткие гамма-всплески.
GRB 200826A был резким взрывом высокоэнергетического излучения продолжительностью всего 0.65 секунды. После эонов путешествий через расширяющуюся Вселенную сигнал растянулся примерно до одной секунды, когда он был обнаружен монитором гамма-всплесков Ферми. Это событие также появилось в приборах на борту миссии NASA Wind, которая вращается вокруг точки между Землей и Солнцем, расположенной на расстоянии около 930,000 1.5 миль (2001 миллиона километров), и Mars Odyssey, которая вращается вокруг Красной планеты с XNUMX года. Спутник агентства "ИНТЕГРАЛ" также наблюдал за взрывом.
Все эти миссии участвуют в системе обнаружения гамма-всплесков, называемой Межпланетной сетью (IPN), для которой проект Ферми обеспечивает все финансирование США. Поскольку всплеск достигает каждого детектора в несколько разное время, любая пара из них может помочь сузить область неба, где он произошел. Примерно через 17 часов после GRB местонахождение IPN сузилось до относительно небольшого участка неба в созвездии Андромеды.
Используя Zwicky Transient Facility (ZTF), финансируемую Национальным научным фондом, в Паломарской обсерватории, команда просканировала небо на предмет изменений в видимом свете, которые могут быть связаны с исчезающим послесвечением гамма-всплеска.
Открытое изображение угасающего послесвечения (в центре) GRB 200826A. Предоставлено: ZTF и Т. Ахумада и др., 2021 г.
«Проведение этого по области применения сродни попытке найти иголку в стоге сена, но IPN помогает уменьшить стог сена», — сказала Шрея Ананд, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи о послесвечении. «Из более чем 28,000 XNUMX предупреждений ZTF в первую ночь только одно соответствовало всем нашим критериям поиска, а также появилось в области неба, определенной IPN».
В течение дня после взрыва обсерватория Нила Герелса Свифт НАСА обнаружила исчезающее рентгеновское излучение из того же места. Пару дней спустя переменное радиоизлучение было обнаружено с помощью очень большого массива Карла Янски Национальной радиоастрономической обсерватории в Нью-Мексико. Затем команда начала наблюдать за послесвечением с помощью различных наземных средств.
Наблюдая за тусклой галактикой, связанной со вспышкой, с помощью Gran Telescopio Canarias, 10.4-метрового телескопа в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на Ла-Пальме на Канарских островах в Испании, команда показала, что ее свету требуется 6.6 миллиарда лет, чтобы достичь нас. Это 48% от текущего возраста Вселенной в 13.8 миллиардов лет.
Но чтобы доказать, что этот короткий всплеск произошел от коллапсирующей звезды, исследователям также нужно было поймать зарождающуюся сверхновую.
«Если всплеск был вызван коллапсом звезды, то после того, как послесвечение исчезнет, оно должно снова стать ярче из-за основного взрыва сверхновой», — сказал Лео Сингер, астрофизик Годдарда и научный руководитель Аумада. «Но на таких расстояниях вам нужен очень большой и очень чувствительный телескоп, чтобы выделить точку света от сверхновой на фоне яркого света ее родительской галактики».
Для проведения поиска Сингеру было предоставлено время на 8.1-метровом телескопе Gemini North на Гавайях и использование чувствительного прибора под названием многообъектный спектрограф Gemini. Астрономы сфотографировали родительскую галактику в красном и инфракрасном свете, начиная с 28-го дня после взрыва, и повторяя поиск через 45 и 80 дней после события. Они обнаружили источник ближнего инфракрасного диапазона — сверхновую — в первой серии наблюдений, которую нельзя было увидеть в более поздних.
Исследователи подозревают, что этот всплеск был вызван джетами, которые едва вышли из звезды, прежде чем они закрылись, а не более типичным случаем, когда продолжительные джеты вырываются из звезды и удаляются от нее на значительные расстояния. Если бы черная дыра испустила более слабые струи или если бы звезда была намного больше, когда начала коллапсировать, гамма-всплеска могло вообще не быть.
Открытие помогает решить давнюю загадку. Хотя длинные гамма-всплески должны быть связаны со сверхновыми, астрономы обнаруживают гораздо большее количество сверхновых, чем длинные гамма-всплески. Это несоответствие сохраняется даже после учета того факта, что струи гамма-всплесков должны наклоняться почти в нашу сторону, чтобы астрономы вообще могли их обнаружить.
Исследователи пришли к выводу, что коллапсирующие звезды, производящие короткие гамма-всплески, должны быть крайними случаями, когда джеты со скоростью света балансируют на грани успеха или неудачи, и этот вывод согласуется с представлением о том, что самые массивные звезды умирают, не производя джетов и гамма-всплесков вообще. В более широком смысле этот результат ясно демонстрирует, что сама по себе продолжительность вспышки не может однозначно указывать на ее происхождение.
Ссылки:
«Особенно кратковременный гамма-всплеск от массивного коллапса ядра звезды» Б.-Б. Чжан, З.-К. Лю, З.-К. Пэн, Ю. Ли, Х.-Дж. Лю, Дж. Ян, Ю.-С. Ян, Ю.-Х. Ян, Ю.-З. Мэн, Дж.-Х. Цзоу, Х.-Ю. Е, X.-G. Ван, Дж.-Р. Мао, X.-Х. Чжао, Ж.-М. Бай, А.Дж. Кастро-Тирадо, Ю.-Д. Ху, З.-Г. Дай, Э.-В. Лян и Б. Чжан, 26 июля 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01395-Z
«Открытие и подтверждение кратчайшего гамма-всплеска от коллапсара» Томаса Ахумада, Лео П. Сингер, Шрея Ананд, Майкл В. Кафлин, Манси М. Касливал, Джеффри Райан, Игорь Андреони, С. Брэдли Ценко, Кристофер Фремлинг , Харш Кумар, Питер Т. Х. Панг, Эрик Бернс, Вирджиния Каннингем, Симона Дикиара, Тим Дитрих, Дмитрий С. Свинкин, Моуза Альмуалла, Альберто Дж. Кастро-Тирадо, Кишалай Де, Рэйчел Данвуди, Прадип Гаткин, Эрика Хаммерштейн, Шабнам Ийяни, Джозеф Манган, Дэн Перли, Соналика Пуркаястха, Эрик Беллм, Варун Балерао, Брайс Болин, Маттиа Булла, Кристофер Каннелла, Пунам Чандра, Дмитрий А. Дуев, Дмитрий Фредерикс, Авишай Гал-Ям, Мэтью Грэм, Анна YQ Хо, Кевин Херли, Вирадж Карамбелькар, Эрик С. Кул, С.Р. Кулкарни, Ашиш Махабал, Фрэнк Маски, Шейла МакБрин, Шаши Б. Панди, Симеон Ройш, Анна Ридная, Филипп Роснет, Бенджамин Рушолм, Ана Сагес Карраседо, Роджер Смит, Маяне Суманьяк, Роберт Штейн, Элеонора Троя, Анастасия Цветкова, Ричард Уолтерс nd Азамат Ф. Валеев, 26 июля 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038/s41550-021-01428-7
Космический гамма-телескоп Fermi — это партнерство астрофизиков и физиков элементарных частиц, управляемое Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Fermi был разработан в сотрудничестве с Министерством энергетики США при важном участии научных учреждений и партнеров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.
