Космический взрыв, происходящий раз в тысячелетие

Гамма-всплеск GRB 221009A был обнаружен 9 октября 2022 года космическим телескопом Swift. Он был исключительно ярким и продолжительным (более десяти часов!). Событие было настолько мощным, что перегрузило большинство детекторов на Земле и на орбите. Некоторые фотоны несли рекордную энергию 18 ТэВ! Как самый мощный из когда-либо зарегистрированных гамма-всплесков, он считается исключительным событием, происходящим только раз в тысячелетие.

Гамма-всплески являются одними из самых энергичных событий во Вселенной. Считается, что они испускаются во время катаклизмов, связанных со смертью звезды, таких как гравитационный коллапс гигантской звезды с образованием черной дыры или слияние двух нейтронных звезд в бинарной системе. Различают «короткие» гамма-всплески, которые длятся от нескольких миллисекунд до одной-двух секунд, и «длинные» гамма-всплески, которые могут длиться несколько минут. Всплески, длящиеся несколько часов, известные как «сверхдлинные», встречаются реже и продолжают интриговать ученых.

GRB 221009A представляет особый интерес для экспертов, поскольку он намного превосходит все, что было обнаружено до сих пор. «В течение нескольких секунд светимость GRB 221009A превышала светимость тысячи миллионов миллиардов Солнц«, — сказал астрофизик Жан-Люк Аттейя в интервью CNRS. К счастью для нас, источник события находится на расстоянии около 2,4 миллиарда световых лет от Земли. Тем не менее GRB 221009A является одним из самых близких гамма-всплесков, когда-либо обнаруженных. Исследователи внимательно изучили данные этого GRB и изложили свои выводы в серии из трех статей, представленных в журнале The Astrophysical Journal Letters и доступных на сервере arXiv.

В первой статье (М. Уильямс и др.) представлен анализ кривых блеска и спектров в рентгеновском и ультрафиолетовом/оптическом диапазонах длин волн. Событие было зарегистрировано телескопом Swift, Монитором рентгеновского изображения всего неба (MAXI) и Neutron Star Interior Composition Explorer Mission (NICER) — среди многих других наземных и космических телескопов. Благодаря относительно близкому расположению звезды, астрономы смогли проводить длительные наблюдения за ее послесвечением в течение 73 дней.

Авторы сообщают о «на порядок более ярком рентгеновском послесвечении, чем у любого другого GRB, наблюдаемого Swift». Проведя моделирование случайных всплесков, они обнаружили, что только один длинный GRB из 10 000 был таким же энергичным, как GRB 221009A. «По нашим оценкам, такие энергичные и близкие GRB, как GRB 221009A, происходят реже, чем 1 раз в 1000 лет, что делает эту возможность поистине удивительной, и вряд ли она повторится в течение нашей жизни«, — заключили авторы.

Данные также показывают, что кривая блеска послесвечения плохо описывается стандартной теорией «синхротронного послесвечения». Считается, что гамма-всплески сопровождаются синхротронным излучением, возникающим при ускорении электронов до околосветовых скоростей по криволинейной или спиральной траектории. Изучение этого синхротронного излучения позволяет астрономам определить форму взрыва и релятивистских джетов.

В случае GRB 221009A команда считает, что структура струи сложнее, чем ожидалось, или что вспышка не является плотно коллимированной — что будет иметь «глубокие последствия для энергетического баланса события», говорят исследователи.

Модели синхротронного излучения будут пересмотрены?

Вторая работа (Т. Ласкар и др.) основана на многоволновых наблюдениях события, охватывающих 15 порядков величины по энергии фотонов, от радиоволн до гамма-излучения. Авторы предполагают, что необычное послесвечение GRB 221009A может быть частично объяснено «передней ударной волной» от сильно коллимированной релятивистской струи, взаимодействующей с низкоплотной средой.

Однако радио- и миллиметровые данные указывают на присутствие дополнительного компонента излучения. «Мы пришли к выводу, что радиоизлучение, вероятно, создается небольшим количеством релятивистски движущейся массы с высокой кинетической энергией«, — пишут они. Но опять же, исследователи обнаружили, что временная эволюция этого компонента не соответствует установленным теориям для синхротронного излучения.

По их словам, это может означать, что основные аналитические модели для синхротронного излучения должны быть коренным образом изменены. «GRB 221009A ясно демонстрирует необходимость дальнейшей теоретической работы для полного понимания ультрарелятивистских струй, наблюдаемых в длинных GRB«, — заключают они.

Наконец, третья статья (М. Шрестха и др.) посвящена сверхновой, связанной с этим событием. В то время как некоторые прошлые GRB демонстрировали колебания оптической кривой блеска, совпадающие с появлением спектральных особенностей сверхновой, исследователи не обнаружили таких особенностей в данном случае.

Используя данные двух широко изученных GRB-ассоциированных сверхновых на таком же расстоянии от GRB 221009A, они смоделировали, как появление сверхновой теоретически должно повлиять на кривую блеска. «Мы не наблюдаем явных признаков сверхновой в наших спектрах, которые были сняты примерно во время ожидаемого светового максимума«, — резюмируют авторы. Отсутствие яркой сверхновой может указывать на то, что энергия взрыва в основном сосредоточена в струе.

Поэтому изучение этого исключительного гамма-всплеска вызвало много вопросов. К счастью, GRB 221009A, вероятно, будет оставаться обнаруживаемым радиотелескопами еще долгие годы — послесвечение, в настоящее время скрытое Солнцем, как ожидается, вновь появится уже в этом месяце — предоставляя множество возможностей проследить и понять полный жизненный цикл этой мощной релятивистской струи.