Два коллектива ученых из разных стран зафиксировали самые мощные взрывы во Вселенной, выделившие больше энергии, чем предполагалось раньше. Для этого использовались специальные телескопы, которые регистрируют гамма-всплески с наибольшей энергией, когда-либо измеряемые. Это первый случай обнаружения таких гамма-всплесков на земных гамма-телескопах.
Гамма-всплески (GRB) – внезапные короткие всплески гамма-излучения, происходящие где-то во вселенной примерно раз в день. Согласно современным знаниям, их вызывают столкновения нейтронных звезд или сверхновые, где образуются черные дыры. На земных телескопах до сих пор не наблюдались гамма-кванты вспышек из-за поглощения их атмосферой Земли. Астрономы разработали специальные телескопы, регистрирующие слабый голубоватый свет Черенкова, который создает космическое гамма-излучение в атмосфере Земли.
Эти инструменты способны обнаруживать только высокоэнергетические гамма-фотоны. Яркость гамма-лучей существенно снижается с ростом энергии. Телескопы Черенкова, выявившие многочисленные источники космического гамма-излучения при очень высоких энергиях, до сих пор не регистрировали такого гамма-лучевого всплеска. В то же время спутники регулярно фиксируют гамма-вспышки, но обладают слишком малыми детекторами для регистрации низкой яркости гамма-вспышек при очень высоких энергиях. Поэтому оставалось неясно, излучают ли GRBs гамма-излучение при очень высоких энергиях.
С лета 2018 по январь 2019 года две международные группы впервые обнаружили гамма-излучение от гамма-всплесков с помощью наземных телескопов. 20 июля 2018 года 28-метровый гамма-телескоп Высокоэнергетической стереоскопической системы (HESS) в Намибии наблюдал слабое послесвечение гамма-всплеска GRB 180720B. 14 января 2019 года на Черноморском телескопе MAGIC в Ла Пальме было зарегистрировано яркое гамма-излучение с ранней фазы GRB 190114C.
Два 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 начали наблюдение только через 57 секунд после первоначальной демонстрации взрыва», — говорит Козимо Нигро из DESY, отвечавший 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 тераэлектрон-вольт. «Это, безусловно, фотоны с самой высокой энергией, когда-либо обнаруживаемые гамма-всплеском», — говорит директор группы MAGIC в DESY.
Благодаря раннему открытию более двадцати телескопов смогли детально изучить объект в различных диапазонах длин волн, прояснив механизмы излучения высоких энергий. Последующие наблюдения установили расстояние до GRB 190114C на более чем четыре миллиарда световых лет.
Объект GRB 180720B находился на расстоянии шести миллиардов световых лет. Тем не менее его гамма-излучение в диапазоне от 100 до 440 гигэлектронвольт обнаружили спустя много времени после первоначальной вспышки. «Удивительно, но телескоп HESS зарегистрировал 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 оказались довольно неожиданными, поскольку гамма-всплески быстро теряют свою яркость. Имея послесвечение, которое можно наблюдать часами или даже днями во многих диапазонах длин волн от радиоволн до рентгеновских лучей, никогда не обнаруживалось в гамма-излучении очень высокой энергии, — объясняет Дейзи-теоретик Эндрю Тейлор, участвовавший в H. E. S. S.-анализе. Этот успех также связан с усовершенствованной стратегией дальнейших действий, где мы обращаем внимание на период после гибели звезды. ».
Физическое объяснение генерации гамма-излучения очень высокой энергии представляет собой сложную задачу. Обе группы предлагают двухэтапный процесс: во-первых, быстрые электрически заряженные частицы отклоняются в сильных магнитных полях облака взрыва, испуская синхротронное излучение. Однако это излучение может достигать наблюдаемых очень высоких энергий только в экстремальных условиях. Вместо этого исследователи предполагают, что фотоны на втором этапе сталкиваются с быстрыми электрически заряженными частицами и достигают наблюдаемой очень высокой энергии с помощью обратного комптоновского рассеяния.