Кое-что о гамма-всплесках

Борис Штерн
Борис Штерн

Эту статью я должен был написать давно, поскольку, во-первых, уже пять месяцев назад произошел уникально сильный гамма-всплеск, побивший предыдущий рекорд по яркости сразу на порядок. Во-вторых, моя докторская была посвящена именно гамма-всплескам, поэтому кто же, если не я? Но так получилось, что гораздо важней было разобраться, что есть в этом всплеске нового интересного и опубликовать научную статью. Это сделано, статья отправлена, пора отдать залежавшийся долг широкому кругу читателей. Кое-что по поводу гамма-всплесков вообще и этого конкретно я уже писал, теперь попробую написать основательней. Кое-что из написанного полезно повторить. Начнем с истории.

Во второй половине 1960-х американские спутники Vela, призванные следить за соблюдением договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, зарегистрировали необычные всплески жесткого рентгеновского — мягкого гамма-излучения. Это было совсем непохоже на ядерные испытания ни по временны́м характеристикам, ни по направлению прихода. Каждый всплеск при регистрации разными аппаратами, судя по задержкам, приходил плоским фронтом, т. е. откуда-то издалека. Направление прихода было случайным — никакого выделенного направления не прослеживалось.

Народ склонялся к тому, что гамма-всплески возникают в Галактике, что это проделки нейтронных звезд — поломки коры, термоядерные взрывы на поверхности, диссипация магнитного поля — что-то в этом роде. А однажды, в 1979 году, показалось, что всё встало на свои места. Обнаружили мощнейший гамма-всплеск, а за ним «хвост» излучения с периодическими пульсациями — это же, ясное дело, вращающаяся нейтронная звезда.

Да, это была нейтронная звезда, но не гамма-всплеск. Во-первых, такие всплески повторялись от одних и тех же объектов — всего их известно восемь. Во-вторых, их спектр был значительно мягче. Их так и назвали — soft gamma repeaters (кто-то из наших ученых предложил термин «мягкий повторитель», слава богу, не прижилось). А что касается гамма-всплесков, они никогда не повторялись и преподносили всё больше проблем.

Откуда они исходят?

Главной проблемой было их распределение в пространстве. Оно было изотропным по направлению, но неравномерным в пространстве (о чем свидетельствовало их распределение по яркости) — таким, будто мы сидим в центре сферически ограниченного облака вспыхивающих объектов. И что это за облако? Галактика явно не сферическая, но, может быть, протяженное галактическое гало, засеянное нейтронными звездами, сойдет? Мы смещены от его центра, но достаточна ли точность, чтобы это заметить? А есть ли еще подобная система? Есть — это Вселенная: она ограничена для наблюдателя из-за своего расширения, у нее есть горизонт. Но тогда гамма-всплески — нечто чудовищное по своему энерговыделению: нечто порядка массы покоя Солнца за секунды.

Во множестве гамма-всплесков выявились два класса — короткие и длинные. В их распределении по продолжительности наметились два горба с провалом между ними в районе двух секунд. Короткие были жестче по спектру и составляли порядка пятой части всех всплесков. Предположили, что это два разных явления. Так и оказалось — по крайней мере часть коротких возникает из-за слияний нейтронных звезд. Это совсем другая история, ниже речь пойдет только о длинных гамма-всплесках.

К середине 1990-х статистика гамма-всплесков выросла настолько, что для подгонки гипотезы галактического гало к данным приходилось впихивать ее ногами. Зато стали появляться более-менее реалистичные сценарии космологического варианта, в котором гамма-всплески приходят с больших (космологических) красных смещений — за миллиарды световых лет. Одним из энтузиастов космологического сценария был Богдан Пачинский (Bogdan Paczinsky). В основу сценария он заложил коллапс массивной звезды с огромным энерговыделением, когда развивается дополнительная неустойчивость, связанная с интенсивным рождением электрон-позитронных пар. Он предложил термин «гиперновая» для обозначения подобной катастрофы. Но если считать гамма-всплеск изотропным, то энергии всё равно сильно не хватало1.

Реалистичный механизм гамма-всплеска разработал Стен Вусли (Stan Woosley) с коллегами2. В этом механизме не хватало многих деталей, но по части энергетики концы с концами сходились. Когда коллапсирует ядро звезды, оно не может сразу провалиться в черную дыру — мешает угловой момент. Сначала образуется аккреционный диск с такой же плотностью, как у нейтронной звезды. Диск, конечно, сильно замагниченный — он может избавиться от магнитного поля, препятствующего аккреции, только выстрелив его вдоль полюсов в виде джетов. Джеты за секунду прожигают тело звезды (в основной массе еще не успевшей отреагировать на коллапс ядра) и, вырвавшись в открытое пространство, излучают — преимущественно вдоль направления своего движения (см. рис. 1) Если наблюдатель попадает в этот луч, он видит гамма-всплеск. Таким образом, сходятся концы с концами по поводу энергетики: изотропная гипотеза не работает, относительно нее надо скинуть порядка три на направленность потока, и остается порядка одной тысячной массы покоя Солнца — вполне разумная величина.

Рис. 1. Компьютерное моделирование джета, пробивающегося через звезду. Трехмерная магнитогидродинамика. Цветом обозначена плотность: ярко-желтым — максимальная, синим — минимальная (из S. E. Woosley, Models for Gamma-Ray Burst Progenitors and Central Engines, in Gamma-Ray Bursts, eds. C. Kouveliotou, S. E. Woosley, R. A. M. J. Wijers, Cambridge University Press, 2012)
Рис. 1. Компьютерное моделирование джета, пробивающегося через звезду. Трехмерная магнитогидродинамика. Цветом обозначена плотность: ярко-желтым — максимальная, синим — минимальная (из S. E. Woosley, Models for Gamma-Ray Burst Progenitors and Central Engines, in Gamma-Ray Bursts, eds. C. Kouveliotou, S. E. Woosley, R. A. M. J. Wijers, Cambridge University Press, 2012)

Таков был космологический сценарий, поначалу казавшийся невероятным и притянутым за уши, хотя у него появлялось всё больше сторонников. Развязка наступила в феврале 1997 года. Итальянский аппарат Beppo-SAX зарегистрировал очередной гамма-всплеск рентгеновским детектором с широким полем зрения, но с неважным угловым разрешением. Это была давняя проблема: типичное угловое разрешение рентгеновских детекторов — градусы, в таком поле зрения находится огромное количество объектов, бесполезно выискивать там что-то с помощью оптических телескопов. На борту Beppo-SAX был рентгеновский телескоп с узким полем зрения, но с прекрасным угловым разрешением. За несколько часов космический аппарат повернулся этим телескопом в сторону всплеска и увидел его послесвечение в мягком рентгене. Точность локализации была лучше угловой минуты — вскоре «Хаббл» и наземные телескопы зафиксировали это послесвечение в оптике, увидели родительскую галактику, измерили красное смещение. Оно оказалось равным 0,695, что соответствует расстоянию 8 млрд световых лет. Послесвечение продолжалось несколько недель и соответствовало типичной кривой блеска сверхновой определенного вида.

К настоящему времени зарегистрированы тысячи гамма-всплесков, из них сотни хорошо локализованы. Космологический сценарий победил полностью и окончательно, но вопросов стало еще больше.

Единственное их правило: не соблюдать никаких правил

На рис. 2 — временны́е профили некоторых гамма-всплесков. Можно верить, можно не верить, но всё это — одно и то же явление. Временны́е профили не образуют никаких классов и подклассов, кроме коротких и длинных. Есть простые из одного импульса: быстрый рост, плавный спад (есть такие длиной сотни секунд). Есть частоколы узких пиков, собранные в несколько широких пачек. Спектр Фурье подобных всплесков (точнее, спектр мощности) простирается на два с половиной — три порядка по частоте, имеет степенной вид (нет выделенного масштаба), и никаких намеков на периодичность. Между простейшими и сложнейшими временными профилями нет никакого разрыва — можно найти любые переходные формы.

Рис. 2. Примеры временны́х профилей гамма-всплесков
Рис. 2. Примеры временны́х профилей гамма-всплесков

Откуда берется такое многообразие профилей? Широкие степенные спектры мощности свидетельствуют о том, что там работает какая-то динамическая неустойчивость. Подобные спектры может выдавать, например, турбулентность, дополненная пересоединением магнитного поля. Скорее всего, работают сразу несколько механизмов: «центральная машина», т. е. аккреционный диск, питающий новорожденную черную дыру, внутренние ударные волны в джете, возникающие из-за неравномерной работы центральной машины, и магнитогидродинамическая неустойчивость в самом джете. Конечно, это лишь рассуждения: получить подобные картинки временной переменности из «первых принципов» пока никто не в состоянии.

С механизмами излучения едва ли не хуже. В теории их не так много: синхротронное излучение электронов, комптоновское рассеяние (в обратном варианте — электрон передает энергию фотону), тепловое излучение. Скорее всего, мы наблюдаем все варианты в разных комбинациях, будучи не в состоянии выделить их вклады. Есть признаки того, что в гамма-всплесках зачастую излучение идет из большой оптической толщи, оно квазитепловое. Мы с Амиром Левинсоном (это была его идея) и двумя японскими постдоками в свое время просчитали довольно интересный вариант «радиационно-доминированной» ударной волны, где рождается масса электрон-позитронных пар, т. е. оптическая толща быстро возникает по ходу дела за счет энергии ударной волны и излучает, а затем исчезает3. Этот механизм вряд ли описывает всё многообразие ситуаций, но наверняка где-то работает.

Рис. 3. Поток фотонов GRB221009A в разных энергетических диапазонах. Нижние две гистограммы: желтая — гамма-кванты со всего неба, черная — из кружка 8° вокруг положения всплеска. Обратите внимание, что масштаб логарифмический. Прекурсор, запустивший триггер электроники, в сотни раз меньше главного эпизода. Провалы в нижней гистограмме и плоские вершины в верхней — следствие перенасыщения детекторов
Рис. 3. Поток фотонов GRB221009A в разных энергетических диапазонах. Нижние две гистограммы: желтая — гамма-кванты со всего неба, черная — из кружка 8° вокруг положения всплеска. Обратите внимание, что масштаб логарифмический. Прекурсор, запустивший триггер электроники, в сотни раз меньше главного эпизода. Провалы в нижней гистограмме и плоские вершины в верхней — следствие перенасыщения детекторов

Обычно под термином «гамма-всплеск» подразумевают событие жесткого рентгеновского — мягкого гамма-излучения, продолжающегося от нескольких секунд до десятка минут (есть и по полчаса). Но история на этом не заканчивается. После всплеска начинается послесвечение — на всех волнах от радио- до гамма-квантов сверхвысоких энергий. С переменностью всё просто: послесвечение плавно затухает по степенному закону. Это затухание неплохо объясняется распространением ударной волны по звездному ветру, испускавшемуся той самой звездой. Но зачастую возникает еще кое-что. Дней через десять затухающее послесвечение начинает слегка разгораться в оптике, появляются спектральные линии — всё выглядит так, будто там взорвалась сверхновая. Это и есть сверхновая — ядро звезды сколлапсировало, произведя гамма-всплеск, а периферия разлетелась, как и при прочих взрывах сверхновых.

Но и это еще не всё. У многих всплесков есть предшественник (прекурсор). То есть за некоторое время до всплеска (десятки секунд, минуты) происходит маленький всплеск, потом абсолютное затишье, потом основное излучение. По оценкам разных авторов прекурсор есть у 10–20% всплесков (величина зависит от определения), но реально эта доля может быть гораздо больше, так как против прекурсоров работает эффект селекции — они довольно слабые.

Итак, имеем четыре типичных составляющих: прекурсор, основной всплеск, послесвечение и сверхновая. Все четыре наблюдаются достаточно редко. Прекурсор обычно не виден, послесвечение часто не удается поймать, сверхновая «выплывает» далеко не всегда. По трем составляющим существует примерный консенсус: основной всплеск — то, что происходит в самом джете, — внутренние ударные волны или магнитное пересоединение; послесвечение — внешняя ударная волна от столкновения джета с окружающей средой; ну а сверхновая и есть сверхновая некоторого типа, сложней объяснить, почему она проявляется не всегда.

А прекурсор был и остается мистерией. Здесь нет никакого консенсуса. Пожалуй, самая непротиворечивая гипотеза — “fallback” (откат). То есть коллапс ядра звезды, начавшись и испустив слабенький джет, прекращается из-за давления излучения, но затем возобновляется со всей силой. Не то, чтобы элегантная гипотеза, но, по крайней мере, объясняет длинный мертвый период между прекурсором и основным всплеском.

Итак, у нас получаются сплошные загадки и почти никаких универсальных правил. На любое конкретное предсказание можно найти контрпример. Видимо, мы имеем дело со сложным многогранным явлением, более сложным, чем гроза, где кроме молний есть еще всякие спрайты, эльфы и джеты.

Всплеск 7 октября 2022 года

По энергии, выделившейся в гамма-диапазоне, всплеск стал рекордным в каталоге всплесков космического гамма-телескопа «Ферми» — с отрывом от второго, GRB130427A, в 15 раз. Мы уже писали про него в ТрВ-Наука4, сейчас повторим вкратце главное и добавим то, что вскрылось в последние пару месяцев.

Собственная яркость этого всплеска была не рекордной, но он попадал в группу сильнейших. Просто он был довольно близким — 2,8 млрд световых лет, красное смещение z = 0,151, тогда как большинство всплесков происходят на z ~ 1 и дальше. Всплеск прославился не только своей яркостью, но и заявлениями о двух гамма-квантах, которые не могли долететь с такого расстояния, поскольку должны были поглотиться из-за взаимодействия с межгалактическим фоновым инфракрасным излучением. Последовал вал теоретических работ, предлагающих Новую Физику для объяснения этих двух фотонов. Но я думаю, что для привлечения Новой Физики надо дождаться публикаций с детальным изложением методики регистрации — очень часто случается, что требования Новой Физики вытекают из методических погрешностей эксперимента.

Мы с Игорем Ткачёвым решили посмотреть, не всплыло ли чего нового интересного в этом всплеске благодаря его исключительной яркости, и кое-что нашли5. Во-первых, рекордное послесвечение в гамма-квантах по данным Ферми — оно прослеживалось вплоть до двух суток. Но здесь отрыв небольшой: второй по силе всплеск 2013 года хоть и уступал в 15 раз по энерговыделению, выдал близкое по яркости послесвечение, видимое в течение 20 часов.

Рис. 4. Индивидуальные гамма-кванты, зарегистрированные гамма-телескопом «Ферми» в координатах «время прилета — логарифм энергии». Максимальная энергия — около 100 ГэВ (230 с). Зеленая кривая — угол между осью телескопа и положением всплеска (правая шкала). Край поля зрения — около 80°. По мере приближения к краю эффективность регистрации быстро падает
Рис. 4. Индивидуальные гамма-кванты, зарегистрированные гамма-телескопом «Ферми» в координатах «время прилета — логарифм энергии». Максимальная энергия — около 100 ГэВ (230 с). Зеленая кривая — угол между осью телескопа и положением всплеска (правая шкала). Край поля зрения — около 80°. По мере приближения к краю эффективность регистрации быстро падает

К сожалению, рекордный гамма-всплеск оказался на самом краю поля зрения основного гамма-телескопа «Ферми». На рис. 4 точками показаны фотоны, зарегистрированные гамма-телескопом большой площади (LAT). Там же показан угол между положением всплеска и осью телескопа: «Ферми» всё время медленно сканирует небо, и источник уходит из поля зрения. 70 с лишним градусов — это уже очень низкая эффективность, а выше 80° телескоп не видит почти ничего. Именно поэтому к 500 секундам фотоны кончаются — они выпали из поля зрения. Но послесвечение не исчезло, и когда положение всплеска через час с лишним вновь оказалось в поле зрения, поток продолжился и периодически наблюдался, заметно превышая фон на протяжении двух дней (рис. 5, 6)

Из наземных детекторов гамма-квантов очень высоких энергий этот всплеск и его послесвечение зарегистрировал только один — LHAASO в Китае. В телеграмме сообщается лишь то, что установка зарегистрировала около 5000 гамма-квантов высокой энергии и среди них один 18 ТэВ — именно этот фотон вызвал поток теоретических работ. Но публикации на эту тему до сих пор нет, поэтому сопоставить эти 5000 фотонов с теми, что зарегистрировал «Ферми» в своем диапазоне, невозможно. Для наблюдений послесвечения с Земли с помощью черенковских телескопов ситуация была крайне неблагоприятной — полная луна, в одном случае — плотная облачность. Одна установка VERITAS, применив жесткую фильтрацию событий, что-то увидела, ждем публикации. Но самое удивительное, что ничего не увидел массив детекторов HAWC, расположенный на мексиканском высокогорье. Эта установка не видела самого всплеска — он произошел с другой стороны Земли. Но через восемь часов место всплеска вошло в поле зрения установки. В это время телескоп «Ферми» еще уверенно регистрировал поток гамма-квантов от послесвечения. Площадь телескопа — квадратный метр, площадь HAWC — гектары. Хотя порог регистрации подобных установок гораздо выше — сотни ГэВ, — всё равно за счет огромной площади они должны регистрировать гораздо больше гамма-квантов. Между тем команда HAWC в своей телеграмме поставила верхний предел по потоку энергии на два порядка ниже того, что регистрирует «Ферми» (рис. 6).

А сколько он должен давать по идее?

У большинства спектров излучения ударных волн джетов есть каноническая форма: поток энергии равномерно распределен по логарифму частоты. То есть поток в интервале энергий 0,1–10 ГэВ такой же, как в диапазоне 0,1–10 ТэВ. Это, во-первых, эмпирический факт, справедливый в том числе и для данного всплеска в диапазоне 0,1–100 ГэВ; во-вторых, такой спектр теоретически обоснован. Диапазон чувствительности HAWC — от 300 ГэВ и выше. Легко представить себе, что поток энергии от послесвечения в этом диапазоне в два-четыре раза ниже, но чтобы на два порядка?! Тут надо изобретать какую-то радикальную причину, типа очень яркого рассеянного света, поглощающего гамма-кванты очень высоких энергий. Либо, что вероятней, искать причину в калибровке инструмента.

Но самое интересное не в этом ярком послесвечении, а в шести фотонах, зарегистрированных вскоре после прекурсора — от 7 до 45 секунд после триггера (см. рис. 4). Фон в этом 50-секундном интервале при данном угле падения — 0,6 фотона. Вероятность случайного появления шести фотонов при этом — 0,5 × 10–4. Здесь интерпретация практически однозначная: это послесвечение прекурсора — его ударная волна. Причем это очень яркое послесвечение: излученная энергия, представленная этими шестью фотонами, того же порядка, что и от самого прекурсора. Обычно главное послесвечение на пару порядков слабей по излученной энергии, чем основной всплеск.

Если эта интерпретация верна, то данный факт губит сразу несколько гипотез о природе прекурсора и свидетельствует о том, что прекурсор связан с отдельным независимым джетом, испущенным за минуты до основного события.

Стала ли от этого свидетельства физика гамма-всплесков менее загадочной? Скорее наоборот.

И совсем свежее

Новый вице-чемпион появился 7 марта 2023 года. Он слабей рекордного всплеска GRB221009A в десять раз, но отодвинул GRB130427A на третье место. Данные «Ферми» уже выложены, я их проверил, и они разочаровали: у этого всплеска не видны ни прекурсор, ни послесвечение. Может быть, ниже порога значимости есть и то, и другое, но по крайней мере в десятки раз слабей. А у «задвинутого» GRB130427A мощнейшее послесвечение. Да они просто насмехаются над нами!

Борис Штерн


1 Paczyński B. How Far Away Are Gamma-Ray Bursters? Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1995. 107: 1167. arXiv:astro-ph/9505096

2 См. arxiv.org/abs/astro-ph/9806299

3 arxiv.org/abs/1709.08955

4 trv-science.ru/2022/12/yarchajshij-gamma-vsplesk-trebuetsya-li-novaya-fizika/

5 См. arxiv.org/pdf/2303.03855.pdf

Подписаться
Уведомление о
guest

1 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Alеx
Alеx
11 месяцев(-а) назад

Там что-то происходит, это ясно.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,40 из 5)
Загрузка...