Самые сильные взрывы во Вселенной испускают даже больше энергии, чем было известно ранее: две международные команды использовали специальные телескопы для записи гамма-всплесков с самой высокой энергией, которые когда-либо измерялись. Это также первое свидетельство гамма-всплесков на земных гамма-телескопах.
Гамма-всплески, сокращенно GRB, — это внезапные, короткие всплески гамма-излучения, которые происходят где-то в видимой вселенной примерно раз в день. Согласно современным знаниям, гамма-всплески происходят от сталкивающихся нейтронных звезд или от сверхновых, где образуются черные дыры. На земных телескопах гамма-кванты вспышек не могли наблюдаться до сих пор, потому что атмосфера Земли поглощает их. Но астрономы разработали специальные телескопы, регистрирующие слабый голубоватый свет Черенкова, который создает космическое гамма-излучение в атмосфере Земли.
Однако эти инструменты могут обнаруживать только очень высокоэнергетические гамма-фотоны. Но яркость гамма-лучей резко падает с увеличением энергии. Телескопы Черенкова, хотя и выявили многочисленные источники космического гамма-излучения при очень высоких энергиях, до сих пор такого гамма-лучевого всплеска не было. С другой стороны, спутники регулярно видят гамма-вспышки, но имеют слишком маленькие области детектора, чтобы быть чувствительными к очень низкой яркости гамма-вспышек при очень высоких энергиях. Поэтому до сих пор было неясно, излучают ли GRBs гамма-излучение при очень высоких энергиях.
В период с лета 2018 года по январь 2019 года две международные команды впервые обнаружили гамма-излучение от гамма-всплесков с помощью наземных телескопов. 20 июля 2018 года 28-метровый гамма-телескоп Высокоэнергетической стереоскопической системы, сокращенно обозначенный как HESS, смог наблюдать слабое послесвечение гамма-всплеска GRB 180720B в Намибии. А 14 января 2019 года на Черноморском телескопе MAGIC для краткости в Ла Пальме была зарегистрирована яркое гамма-излучение с ранней фазы GRB 190114C.
Оба наблюдения были инициированы гамма-спутниками НАСА, сканирующими небо на наличие гамма-всплесков и автоматически посылающими уведомления в такие обсерватории, как HESS и MAGIC. «Мы смогли так быстро переместиться в регион происхождения, что смогли начать наблюдение только через 57 секунд после первоначальной демонстрации взрыва», — говорит Козимо Нигро из DESY, который в то время отвечал за слой наблюдения MAGIC. «За первые двадцать минут наблюдения мы зарегистрировали около тысячи фотонов из GRB 190114C». MAGIC наблюдал гамма-кванты с энергией от 0,2 до одного тера-электрон-вольт. «Это, безусловно, фотоны с самой высокой энергией, когда-либо обнаруживаемые гамма-всплеском», — говорит директор группы MAGIC в DESY.
Раннее открытие позволило более двадцати другим телескопам более внимательно взглянуть на объект в многочисленных диапазонах длин волн. Так были расшифрованы детали физических механизмов, отвечающих за излучение высших энергий. Последующие наблюдения также определили расстояние от GRB 190114C до более чем четырех миллиардов световых лет.
GRB 180720B был еще дальше на расстоянии шести миллиардов световых лет. Тем не менее его гамма-излучение в диапазоне от 100 до 440 гиг-электрон-вольт можно было обнаружить спустя много времени после первоначальной вспышки. «Удивительно, но телескоп HESS смог зарегистрировать избыток 119 гамма-квантов от направления извержения всего через десять часов после первого спутникового наблюдения за взрывом», — говорит глава группы H. E. S. S в DESY Стефан Ом.
«Доказательства были довольно неожиданными, поскольку гамма-всплески быстро теряют свою яркость. Хотя они имеют послесвечение, которое можно наблюдать часами, а иногда даже днями во многих диапазонах длин волн от радиоволн до рентгеновских лучей, но никогда не было обнаружено в гамма-излучении очень высокой энергии», — объясняет Дейзи-теоретики Эндрю Тейлор, участвовавший в H. E. S. S.-анализа. «Этот успех также обусловлен улучшенной стратегией последующих действий, в которой мы также фокусируемся на более поздних временах после фактического коллапса звезды».
Физическое объяснение генерации гамма-излучения очень высокой энергии является сложной задачей. Обе команды предполагают двухэтапный процесс: во-первых, быстрые электрически заряженные частицы отклоняются в сильных магнитных полях облака взрыва, испуская синхротронное излучение. Однако это синхротронное излучение может достигать наблюдаемых очень высоких энергий только в экстремальных условиях. Вместо этого, исследователи предполагают, что эти фотоны на втором этапе сталкиваются с быстрыми электрически заряженными частицами и достигают наблюдаемой очень высокой энергии с помощью этого обратного комптоновского рассеяния.