Ярчайший гамма-всплеск: требуется ли Новая Физика?

9 октября 2022 года был зарегистрирован самый яркий гамма-всплеск за всю историю наблюдений. Он произошел довольно близко: разные оценки (по линиям поглощения в послесвечении всплеска и по линиям родительской галактики) сходятся на красном смещении z = 0,151 (2 млрд световых лет).

По оценке Kann et al1 GCNC32762 во время прямой фазы всплеска (есть еще послесвечение) была испущена энергия 6 · 1054 эрг. Для сравнения: энергия массы покоя Солнца 2 · 1054 эрг (это если всё оно проаннигилирует). Конечно, излучение гамма-всплеска сильно неизотропно — излучается направленный джет, так что для оценки истинного энерговыделения вышеприведенное значение надо поделить на число где-то от сотни до тысячи.

Снимок послесвечения, сделанный рентгеновским телескопом на борту космического аппарата Swift. Концентрические кольца связаны с рассеянием рентгеновских фотонов на облаках пыли в нашей Галактике (см. комментарий в тексте)
Снимок послесвечения, сделанный рентгеновским телескопом на борту космического аппарата Swift. Концентрические кольца связаны с рассеянием рентгеновских фотонов на облаках пыли в нашей Галактике (см. комментарий в тексте)
Борис Штерн
Борис Штерн

Такие мощные всплески встречаются во всем наблюдаемом объеме Вселенной примерно четыре раза в год2. Если же взять объем внутри 2,8 млрд световых лет, то подобного гамма-всплеска нужно ждать порядка тысячи лет (если учитывать падение темпа звездообразования). А мы дождались всего за полсотни лет, прошедших со времени открытия гамма-всплесков.

По своей кривой блеска это типичный гамма-всплеск с предшественником (прекурсором).

Данный прекурсор дал триггерный сигнал монитора гамма-всплесков (GBM) на «Ферми», т. е. запустил моду записи. Прекурсор выглядел обычным гамма-всплеском продолжительностью несколько секунд. Потом всё стихло, но через почти двести секунд с того же направления хлынул гигантский поток мягких гамма-квантов, засветивший детекторы GBM. Он продолжался примерно семь минут (см. график ниже).3

Кривая блеска GBM «Ферми» в разных энергетических диапазонах. В пике кривой детекторы захлебнулись, поэтому на самом деле главный пик еще выше. Обратите внимание, что масштаб логарифмический. Интенсивность главного пика в сотни раз больше интенсивности прекурсора2
Кривая блеска GBM «Ферми» в разных энергетических диапазонах. В пике кривой детекторы захлебнулись, поэтому на самом деле главный пик еще выше. Обратите внимание, что масштаб логарифмический. Интенсивность главного пика в сотни раз больше интенсивности прекурсора2

Подобная морфология не уникальна — похожие всплески с прекурсором встречались неоднократно, все они сильные, поскольку у слабых прекурсор просто не виден. Возможно, это весьма распространенное явление, хотя природа прекурсора неизвестна, как, впрочем, и механизм генерации сложных временных профилей гамма-всплесков.

Главный детектор «Ферми» (Large Area Telescope, LAT) зарегистрировал поток гамма-квантов большой энергии, причем среди них был 100-гэвный.

Через 10 минут закончилась прямая фаза всплеска и началось послесвечение — оно отличается от прямой фазы меньшей интенсивностью, широким спектральным диапазоном и медленным затуханием. Примерно за первые полчаса китайский детектор LHAASO, согласно телеграмме 4, зарегистрировал гамма-кванты с энергией выше 500 ГэВ, причем среди них был один с энергией 18 ТэВ. Наконец, установка для регистрации широких атмосферных ливней «Ковёр-2», входящая в состав Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, через час с лишним после всплеска зарегистрировала гамма-квант с энергией 250 ТэВ, который пришел с той же точки неба (отклонение 1,8° при разрешении 4,7°)5.

На рисунке выше запечатлено интересное явление: рентгеновское эхо гамма-всплеска, снятое космической обсерваторией Swift через час после вспышки. Кольца возникают от рассеяния рентгеновских фотонов на облаках пыли в нашей галактике. В данном случае изображение колец дают фотоны, чей путь на световой час длинней: чем ближе к нам облако, тем шире кольцо, причем кольца расходятся со временем. По таким снимкам можно изучать галактические облака пыли — правда, подобная возможность выпадает нечасто.

Еще один интересный факт, связанный с этим гамма-всплеском: отклик ионосферы. Меняется интенсивность приема сверхдлинных радиоволн из-за наведенной ионизации.

Но самая драматичная сторона этого всплеска вовсе не в его исключительной яркости. Полученные данные очень трудно объяснить без привлечения Новой Физики. Речь прежде всего о гамма-квантах максимальной энергии — 18 ТэВ и тем более 250 ТэВ. Дело в том, что Вселенная непрозрачна для гамма-квантов подобных энергий на длинах пробега в миллиарды световых лет. Для тэвных гамма-квантов существует мощный поглотитель: инфракрасное излучение пыли галактик.

Это кажется парадоксальным, но существует хорошо известный процесс — рождение электрон-позитронной пары двумя гамма-квантами. При этом один из них может быть совсем «мягким», инфракрасным — главное, чтобы произведение их энергий ε1ε2 было больше квадрата массы электрона me, точнее, должно выполняться условие ε1ε2(1 — cos ϑ) > 2 me2.

Излучение звезд галактик дает фотоны с энергией порядка электронвольта и выше — значит, фотоны с энергией 1012 эВ (1 ТэВ) и даже сотни ГэВ уже могут поглощаться на свете звезд. Это действительно наблюдается: спектры далеких блазаров завалены начиная с сотен ГэВ, т. е. фотонов от света звезд хватает, чтобы поглотить заметную часть тэвных гамма-квантов начиная с красных смещений ~0,1. Тем не менее некоторые блазары с красным смещением 0,3 видны на энергиях около ТэВ’а. Но есть еще сильный фон от пыли галактик, особенно тех, где идет бурное звездообразование. Число фотонов от пыли на два порядка выше, они начинают сильно поглощать гамма-кванты начиная с энергий около 10 ТэВ. Для фотонов 18 ТэВ вероятность долететь с красного смещения 0,15 по разным оценкам колеблется от 10–4,5 до 10–9 (межгалактический инфракрасный фон известен недостаточно точно). Вот и мотив для привлечения Новой Физики к объяснению всплеска 9 октября! Новую Физику рассмотрим ниже, а сейчас обсудим вопрос о том, действительно ли этот гамма-квант ломает существующие представления.

Если его энергия действительно 18 ТэВ, то он «проходит» практически на пределе — если предположить, что спектр гамма-излучения всплеска был достаточно жестким и что реально инфракрасный фон ближе к нижней оценке. В одной из работ, посвященных этому всплеску, «натягивается» вполне приличная вероятность зарегистрировать 18-тэвный фотон 6. Но насколько надежно измерена эта энергия? Результаты LHAASO по данному всплеску не опубликованы, есть только телеграмма. Надежных данных по отклику установки, скорее всего, не существует (это очень сложная задача). Между тем, если энергия данного фотона была завышена, например, в полтора раза, и на самом деле его энергия, скажем, 12 ТэВ, то вероятность его прилета с z = 0,15 возрастает раз в пять.

Тут на память приходит история с «нарушением порога Грейзена — Зацепина — Кузьмина» по результатам японской установки по регистрации широких атмосферных линий AGASA. Вышеупомянутый порог связан с тем, что протоны энергии выше 1020 эВ быстро теряют энергию, взаимодействуя с фотонами реликтового излучения. Значит, в спектре космических лучей должен быть завал при этой энергии, а его не было — спектр шел дальше до 2 · 1020–3 · 1020 эВ. Появилась масса теоретических работ с привлечением Новой Физики. Главным образом покушались на специальную теорию относительности: дескать, она перестает работать при огромных лоренц-факторах. Ларчик открывался просто: AGASA была неправильно откалибрована, энергия частиц завышалась в среднем в два с лишним раза. После обнаружения ошибки всё встало на свои места. Я не утверждаю, что в данных LHAASO содержится ошибка, но это тот момент, который должен быть тщательно проверен, прежде чем делать сильные утверждения по поводу Новой Физики. Другая возможность тривиального происхождения этого события — фон протонов. Такую вероятность еще предстоит оценить.

Кроме гамма-квантов, зарегистрированных LHAASO, есть еще гамма-квант энергии 250 Тэв, зарегистрированный установкой «Ковёр-2». По оценкам авторов сообщения, вероятность случайного прилета гамма-кванта такой энергии с этого направления в данном временном окне около 10–4. Для энергии 250 ТэВ оптическая толща с z = 0,151 безнадежно велика, и если этот гамма-квант прилетел действительно от всплеска, для его объяснения однозначно требуется Новая Физика. Есть еще шанс, что это событие вызвано нейтрино от всплеска, но этот шанс тоже мал: несравненно более крупная установка Ice Cube ничего подобного не зарегистрировала.

Какую Новую Физику могут вести за собой эти «невозможные» гамма-кванты? Первый вариант — нарушение лоренц-инвариантности. То есть преобразования Лоренца работают «неправильно», если так называемый лоренц-фактор преобразования Γ очень велик. Преобразование энергии «встречного» фотона в системе, движущейся ему навстречу, равно ε1 = ε · Γ, и чтобы фотоны энергии 0,01 эВ и 1014 эВ могли родить пару, двигаясь навстречу друг другу с энергией 1 МэВ, должно правильно работать преобразование с Γ ~ 108. А если лоренц-инвариантность нарушается, то такой системы может и не найтись — фотон не будет поглощен, Вселенная будет для него прозрачна.

Такой вариант противоречит лично моему «чувству прекрасного»: все-таки специальная теория относительности лежит в основе мира, и шутки с ней могут нарушать причинность и приводить к каким-то еще неприятностям. К тому же с лоренц-инвариантностью всё оказалось в порядке для протонов с энергией 1020 эВ (порог Грейзена — Зацепина — Кузьмина), а там задействован лоренц-фактор Γ ~ 1011.

Другой вариант связан с гипотетической частицей — аксионом. Это частица, похожая на фотон (спин — единица, нулевой заряд), которая была введена для объяснения некоторых странностей Стандартной модели. Масса аксиона может быть очень маленькой, и, в отличие от фотона, он очень слабо взаимодействует с веществом. При этом аксион может распадаться на фотоны или просто переходить в фотон в присутствии внешнего поля. Это решает проблему — аксион, родившись от ускоренных частиц в источнике гамма-всплеска, легко преодолевает огромные расстояния и конвертируется в фотон неподалеку от нас.

Итак, свидетельствует ли однозначно гамма-всплеск GRB091022A о необходимости привлечения Новой Физики? Мое мнение: однозначно не свидетельствует, но заставляет задуматься и требует более внимательного разбирательства.

В гамма-всплесках и так сплошные загадки, даже если понятен сценарий их излучения: джет, рождаемый аккреционным диском у новорожденной черной дыры в центре звезды, прожигает ее и излучает направленный поток гамма-квантов, вырвавшись на простор. До сих пор непонятен механизм излучения, загадочен временной профиль, плюс имеется совершенно странное явление — предвестник (прекурсор) всплеска. Вот появилась еще одна загадка.

Борис Штерн


1 gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/32793.gcn3

2 Atteia J.-L. et al (2017) ApJ 837 119. doi.org/10.3847/1538-4357/aa5ffa

3 Hayes L. A. and Gallagher P. T. (2022) Res. Notes AAS6 222. doi.org/10.3847/2515-5172/ac9d2f

4 Huang Y. et al. (2022) — ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022GCN.32677….1H/abstract

5 astronomerstelegram.org/?read=15669

6 arxiv.org/abs/2210.10778

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest

17 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
res
res
1 месяц назад

А вы уверены, что при таких энергиях и соответственно длинах волн диэлектрическая проницаемость в межзвездном пространстве — единица? Если нет, то тогда и скорость этих квантов изменится, и ПЛ станут другими и т.д, и т.п. ))

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума выдуманные величины.

А изменение скорости света сказалось бы на спектрах.

В природе существует очень много людей думающих, что они знают эйнштейновскую теорию гравитации и уродующих ее нелепыми гипотезами.

res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Все, что не имеет прямого экспериментального подтверждения, выдумано. Функции отклика среды, в частности проницаемости вакуума, таковое подтверждение имеют. Оно, однако, не абсолютно, а имеет свои границы применения.

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Я знаю только о влиянии гравитационного потенциала на скорость света. Эксперименту исполнилось сто лет.

Конечно все сейчас по большей части выдумано, кроме эйнштейновской гравитации. Сказки, что Эйнштейн сел за стол и выдумал теорию. На самом деле он упростил уравнение гравитационного поля, пренебрегая законом сохранения, затем проверил это на движении Меркурия. И только потом написал то, что сейчас называется уравнение Эйнштейна.

Теперь мы знаем точное уравнение гравитационного поля.
Энергия риманова пространства в общей теории относительности

Последняя редакция 1 месяц назад от Валерий Морозов
res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Групповая (передающая информацию) скорость светового сигнала меняется в среде по сравнению с вакуумом. Изменение зависит от частоты (=энергии). Физический вакуум тоже среда. До каких частот его диэлектрическая (магнитная) проницаемости равны единицы вопрос до некоторой степени открытый.
Я тоже много не знаю, приходится учиться всю жизнь ))

Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  res

Все просто наоборот.
С повышением частоты скорость света приближается к скорости света в вакууме

res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

В среде в кэВ-МэВ-ном диапазоне — да. Но обсуждается вакуум для энергий сотен ТэВ. Вы так уверенно говорите, поделитесь знаниями? ))

Паша
Паша
28 дней(-я) назад
В ответ на:  res

Ежели у Вас нет ненулевых классических полей или среды, то, думаю, со всеми квантовыми поправками правильно определенная скорость света останется с. Иначе Лоренц-инвариантность нарушится, что вряд ли, если исходная фунаментальная теория ее не нарушает. Having said this — есть так называемые теории с нарушенной Лоренц-инвариантностью, но они проходят по рангу экзотики, впрочем, вполне любимой автором настоящей заметки :)

Валерий Морозов
1 месяц назад

А как насчет старой, проверенной физики?

Ни в одном учебнике не написано что уравнение Эйнштейна приближенное.
Только в у Ландау и Лифшица можно найти замечание «Гравитационное взаимодействие играет роль только для тел с достаточно большой массой (благодаря малости гравитационной постоянной). Поэтому при исследовании гравитационного поля нам приходится обычно иметь дело с макроскопическими телами. Соответственно этому для Тik надо обычно писать выражение (94.9).»

И только пытливые, последовав по ссылке, смогут узнать, что тензор энергии в правой части уравнения Эйнштейна не содержит энергии гравитационного поля.

Более сложный путь отследить историю создания уравнения Эйнштейна. В процессе которого Эйнштейн сознательно изъял энергию гравитационного поля из уравнения. Просто не получилось у него сохранить ее. В результате получилось очень хорошее приближенное уравнение гравитационного поля.

Его хвалило на 106 лет.

Последняя редакция 1 месяц назад от Валерий Морозов
Валерий Морозов
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

Сейчас проект общей теории относительности 1913 удалось реализовать полностью. В уравнение гравитационного поля введен тензор энергии-импульса гравитационного поля. Мы должны больше доверять ОТО, потому, что она теперь работает в больших полях.

Анонс.png
Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

«Мы должны больше доверять…» — ну, этого трудно ожидать от прирожденного научного работника))
Вот, например, высказывание одного из них — Поля Дирака:
«Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть готовым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».
Это эпиграф  в книге — Дирак П.А.М. Лекции по квантовой теории поля (1971)
http://techlibrary.ru/

Валерий Морозов
1 месяц назад

Золотые слова.
Однако мы не можем не доверять электродинамике, например. Она вошла в нашу жизньнавсегда. Тоже самое и ОТО, мы должны признать факт кривизны нашего пространства-времени. При этом не имеет значения, что большинство трудящихся занимается тем, что уродуют это теорию моделями, расширениями и гипотезами, противоречащими ОТО. В целом этой деятельности никто не доверяет, коме их самих. Беда в том, что никто не занимается ОТО. Хотя другой теории гравитации нет.

Практически никто не знает, что уравнение Эйнштейна, чрезвычайно полезное не является точным. По умолчанию, считается, что оно точное. Только мы с Эйнштейном в этом сомневались. Разве только Ландау с Лифшицем заметили это § 95 но прямо об этом не сказали. Нужно тщательно читать

Теории должны развиваться по возможности… такая возможность для ОТО была, я ей воспользовался.

res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Валерий Морозов

«Бонасье и кардинал, вместе мы спасем Францию …» ))

trackback

[…] По мнению астрофизика Бориса Штерна, GRB 221009A интересен не только своей исключительной яркостью, но и тем, что «полученные данные очень трудно объяснить без привлечения Новой физики». Возможно, этот гамма-всплеск подтверждает существование гипотетической частицы — аксиона, которую физики ввели для объяснения некоторых странностей Стандартной модели. Родившись от ускоренных частиц в источнике гамма-всплеска, аксион легко преодолевает огромные расстояния и конвертируется в фотон неподалеку от Земли. […]

trackback

[…] По мнению астрофизика Бориса Штерна, GRB 221009A интересен не только своей исключительной яркостью, но и тем, что «полученные данные очень трудно объяснить без привлечения Новой физики». Возможно, этот гамма-всплеск подтверждает существование гипотетической частицы — аксиона, которую физики ввели для объяснения некоторых странностей Стандартной модели. Родившись от ускоренных частиц в источнике гамма-всплеска, аксион легко преодолевает огромные расстояния и конвертируется в фотон неподалеку от Земли. […]

trackback

[…] opinion astrophysicist Boris Stern, GRB 221009A is interesting not only for its exceptional brightness, but […]

Dima
Dima
23 дней(-я) назад

1 эрг — величина намного меньше Джоуля.
Если перевести величину 6 · 1054 эрг.
на язык астрономов, то эта энергия возникает при вспышке порядка 1 000 000 сверхновых звезд, как Крабовая туманность (1044 эрг.)

Можем ли мы допустить, что в природе очень редко возможен процесс столкновения трех,двух
звездных скоплений, например в аккреционном диске черной дыры, когда 1 миллион звезд взорвутся и образуются взорвавшееся скопление сверхновых звезд в течении года, месяца?
Если да, то не нужно никакой новой физики. Черная дыра, квазар перемалывает 1 миллион звезд в своем аккреционном диске.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (8 оценок, среднее: 4,88 из 5)
Загрузка...