Сверхдлинные взрывы бросают вызов нашим теориям космических катаклизмов | Журнал Кванта

11 декабря 2021 года луч гамма-лучей — самой энергичной формы света — врезался в спутник НАСА Swift. В течение 120 секунд спутник развернулся в сторону взрыва и заметил тлеющие угли космической катастрофы. Десять минут спустя оповещения были разосланы астрономам всего мира.

Среди них был Джиллиан Растинежад, аспирант Северо-Западного университета. Для Растинежад и ее сотрудников этот гамма-всплеск выглядел странно похожим на необычный всплеск 2006 года. Растинежад позвонила в обсерваторию Джемини на Гавайях и пригласила исследователей внимательно посмотреть на участок неба, откуда произошел всплеск. Несколько дней спустя, когда надвинулись облака, исследователь из обсерватории ММТ в Аризоне взял на себя ответственность, изо всех сил стараясь направить телескоп на исчезающее пятно света на расстоянии в миллиард световых лет.

По словам Растинежада, это был немалый подвиг, учитывая, что и там погода портилась. «Она находила для нас дыру в облаках каждый день около 4 утра».

К тому времени, когда примерно через неделю цепочка наблюдений завершилась, Растинежад и ее коллеги уже имели довольно хорошее представление о том, что заставило эти гамма-лучи распространиться по Вселенной. Пока они наблюдали, последствия взрыва становились все краснее и краснее — безошибочный признак того, что в обломках ковались тяжелые атомы, такие как золото и платина. Основным источником такой космической алхимии являются столкновения нейтронных звезд — невообразимо плотных ядер мертвых солнц.

Единственная проблема заключалась в том, что такой вывод казался невозможным. Астрофизики подозревают, что когда нейтронные звезды сливаются, все заканчивается за долю секунды. Но Свифт зафиксировал бомбардировку гамма-излучением, длившуюся относительно бесконечные 51 секунду — обычно это признак совсем другого типа космической драмы.

С тех пор астрономы обнаружили еще больше подобных событий. Последний из них произошел в марте, когда второй по яркости когда-либо обнаруженный гамма-всплеск длился 35 секунд. Астрономы снова наблюдали красноватые последствия столкновения нейтронной звезды. Они также задействовали космический телескоп Джеймса Уэбба. изучить странный взрыв и заметил признаки тяжелого элемента теллура в оседающей пыли.

В совокупности ряд наблюдений привносит новую загадку в область астрономии, которую большинство исследователей считали решенной: что заставляет эти предположительно быстрые и жестокие события так долго испускать гамма-лучи? Это загадка, которую астрофизикам придется решить, если они хотят достичь более амбициозной цели — понять происхождение всех различных элементов во Вселенной, многие из которых рождаются в результате этих сильных вспышек.

«Мне было очень интересно это увидеть», — сказал Дэниел Касен, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли, специализирующийся на космических взрывах. «Это настоящая загадка».

Холодная война, блестящие взрывы

Сегодня Свифт ловит гамма-всплеск каждые несколько дней. Но эти взрывы были неизвестны до самого разгара Холодной войны, когда они появились из ниоткуда. В 1960-х годах ВВС США запустили спутники Vela, чтобы убедиться, что Советский Союз соблюдает запрет на испытания ядерного оружия. Если бы Советы взорвали ядерную бомбу в космосе, возникшую вспышку гамма-лучей — энергетических волн света длиной с ядро ​​атома — было бы невозможно скрыть.

Спутники не зафиксировали никаких советских нарушений. Но между 1969 и 1972 годами они подняли 16 загадочных вспышек гамма-лучи, которые исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса определили как «космические».

В последующие десятилетия НАСА взялось за расследование. Космическое агентство запустило выделенный спутник для поиска всплесков в 1991 году и в течение следующих девяти лет он обнаружил почти 3,000 гамма-всплесков. События были двух видов: короткие и длинные. Большинство коротких всплесков длились менее секунды, тогда как многие длинные всплески продолжались минуту или дольше (разделительная линия между двумя вкусами проходит примерно через две секунды).

Что бы ни было причиной этих всплесков, казалось катастрофическим; менее чем за половину продолжительности поп-песни они излучают примерно столько же энергии, сколько наше Солнце производит за миллиарды лет. Что могло так ярко гореть? Астрофизики поначалу не были в этом уверены, но огромные энергии, задействованные в этом, указывали на катаклизмы, которые повлекут за собой конец света. И две продолжительности намекали на два типа катастроф: более быструю, продолжающуюся около секунды, и (несколько) более медленную, разворачивающуюся в течение минуты.

Астрономы первыми обнаружили причину более медленных всплесков. В конце 1990-х годов, когда исследователи научились лучше определять направление взрыва, они начали улавливать послесвечения, намекающие на космические взрывы. Затем, в 2003 году, астрономы, наблюдавшие за ближайшим послесвечением, увидели блестящий фейерверк сверхновой всего через несколько дней после продолжительного гамма-всплеска: этот всплеск ознаменовал первую стадию гибели гигантской звезды.

Для понимания ускорения катаклизма потребуется еще десятилетие и более острые инструменты. Прорывным инструментом оказался спутник НАСА Swift. Запущенный в 2004 году, Swift имел узорчатую свинцовую пластину длиной в метр, которая могла улавливать гамма-лучи на широком участке неба. Что особенно важно, он также обладал уникальной способностью быстро поворачивать пару бортовых телескопов в направлении любых астрономических вспышек. (По преданию ученых Swift, эта технология «наведи и стреляй» была частично разработана для другого оборонного проекта времен холодной войны: Стратегической оборонной инициативы Рональда Рейгана, неофициально известной как «Звездные войны», целью которой было сбивать ядерные ракеты в полете. )

С помощью Свифта астрономы теперь могли увидеть всплеск в течение двух минут — достаточно быстро, чтобы впервые уловить послесвечение коротких гамма-всплесков. Наблюдая за затуханием первоначальной вспышки, астрономы также увидели признаки последующего взрыва, который со временем стал более красным. Астрофизики вскоре подсчитали, что такого покраснения следовало ожидать после слияния нейтронной звезды (которое могло быть столкновением двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры). Такое столкновение могло бы выбросить обломки, которые блокировали бы более короткие и синие длины волн света. Сопоставление этих взрывов, получивших название «килоновых», с короткими вспышками гамма-излучения, которые им предшествовали, предоставило убедительные косвенные доказательства того, что слияние нейтронных звезд было короткой катастрофой.

Прямые доказательства произошло 17 августа 2017 года. Две близлежащие нейтронные звезды столкнулись и сотрясли ткань пространства-времени, создав гравитационные волны, которые смогла обнаружить Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO). Прочитав информацию, закодированную в этой ряби, ученые позже вычислили массы сталкивающихся объектов и узнали, что это были нейтронные звезды. Сразу после прибытия гравитационных волн космический гамма-телескоп Ферми зафиксировал двухсекундный гамма-всплеск. А в последующие дни астрономы увидели характерное покраснение килоновой звезды в том же месте, где произошел гамма-всплеск. три последовательных наблюдения не оставляло места для сомнений: короткие вспышки могут возникать в результате слияния нейтронных звезд.

«Это все закрепило», — сказал Брайан Мецгер, астрофизик из Колумбийского университета и один из теоретиков, которые первыми предсказали, как будет выглядеть килоновая после слияния. «[Мы подумали]: «Хорошо, эта картина действительно имеет смысл».

Сейчас эта картина начинает разрушаться.

Поворот в третьем акте

Сначала появился Растинежад. 51-секундный всплеск в конце 2021 года. Это было очень похоже на длительный ближайший взрыв 2006 года, в котором, как ни странно, не было сверхновой. Но благодаря современным инструментам и более глубокому пониманию того, что искать, Растинежад и его коллеги смогли увидеть то, чего не было у астрономов в 2006 году: за вспышкой 2021 года последовала тусклая красная килоновая звезда.

Это наблюдение подтолкнуло Эндрю Леван из Университета Радбауда, чтобы вновь посетить загадочный 64-секундный всплеск, над которым он ломал голову с 2019 года. Всплеск произошел в самом сердце древней галактики, где рождение и смерть звезд (в виде сверхновых) прекратились много веков назад. В июне, Леван и его сотрудники утверждали что наиболее вероятным объяснением их длинной вспышки было то, что два звездных трупа — по крайней мере, один из которых, вероятно, был нейтронной звездой — нашли друг друга и слились.

И теперь космический телескоп Джеймса Уэбба предоставил самое четкое представление о том, что происходит после аномального взрыва. Когда 35 марта 7-секундный всплеск достиг Земли, свинцовая пластина Свифта, чувствительная к гамма-излучению, была обращена в другом направлении. Энергичные лучи были обнаружены главным образом Ферми, который назвал их вторым по яркости гамма-всплеском всех времен (после событие, установившее рекорд В 2022).

Вместо Свифта астрономы использовали межпланетный флот космических кораблей (включая зонды на Марсе и Меркурии), чтобы точно определить положение взрыва. Через несколько дней, когда наземные телескопы снова увидели характерное покраснение килоновой звезды, Леван быстро отправил экстренный запрос на наблюдение JWST почти в реальном времени. «К счастью для нас, они сказали «да», — сказал Леван. «Это позволило нам получить эти наблюдения примерно через месяц после первого всплеска».

JWST собрал массу данных о вздымающемся поле обломков. Оптические телескопы не могут заглянуть глубоко в густое килоновое облако именно по той причине, по которой это событие очаровывает астрофизиков: оно выбрасывает гигантские, блокирующие свет атомы посредством загадочной цепочки событий, известной как r-обработать.

Звезды обычно объединяют атомы водорода в гелий, а затем позже превращают более легкие атомы в несколько более тяжелые атомы, такие как кислород и углерод. r-процесс — один из немногих способов перейти прямо к самым тяжелым элементам, встречающимся в природе. Это потому, что столкновение нейтронных звезд создает плотный водоворот нейтронов. В этом хаосе нейтроны неоднократно проникают в атомные ядра, образуя крайне нестабильные и радиоактивные атомы. Когда нейтроны в этих атомах распадаются, они превращаются в протоны. Если у вас получится 78 протонов, это атом платины. Если вы получите 79 протонов, это золото.

Громоздкие атомы, образованные пылью нейтронной звезды, блокируют видимый свет и светятся преимущественно в инфракрасном свете. Вот почему JWST — инфракрасный телескоп — так хорошо подходил для наблюдения за килоновым облаком. «Мы никогда раньше не наблюдали килоновую с помощью JWST», — сказал Мецгер. «Это идеальный инструмент».

В обломках JWST обнаружил атомы теллура (52 протона), что подтверждает, что слияния нейтронных звезд могут образовывать довольно тяжелые элементы ближе к концу пятого ряда таблицы Менделеева. «Это гораздо более тяжелый элемент, чем те, которые мы видели раньше», — сказал Леван.

Но в то же время наблюдение JWST способствует растущему пониманию того, что, какими бы маловероятными это когда-то ни казалось, слияния нейтронных звезд могут вызывать длинные гамма-всплески. Теперь вопрос: как?

Плотные объекты, длинные всплески

Сверхновые испускают длинные гамма-всплески, потому что звездные взрывы относительно медленны и беспорядочны. Смерть гигантской звезды начинается с коллапса ее центра в черную дыру. После того, как это произойдет, значительное количество внешнего звездного вещества — возможно, достигающее массы нескольких солнц — спирально устремится в черную дыру, выпуская мощные струи частиц, которые испускают гамма-лучи в пустоту на время до нескольких минут.

Слияния нейтронных звезд, напротив, должны прекратиться в мгновение ока. Нейтронная звезда упаковывает массу Солнца или около того в гладкую крошечную сферу диаметром всего несколько миль. Когда два таких плотных шара сталкиваются — или когда один из них врезается в чёрную дыру — материя коллапсирует в чёрную дыру. Во время этого финального спазма на орбиту выбрасывается гораздо меньше остатков материи, чем в случае коллапса звезды. Когда черная дыра поглощает эту легкую закуску, которая может весить в 10 раз меньше Солнца, она на короткое время приводит в действие струи (и гамма-всплеск), продолжающиеся десятые доли секунды.

Новые наблюдения Левана, Растинежада и других противоречат этому быстрому и четкому изображению слияний нейтронных звезд. «Нет никакого смысла получать 10-секундный всплеск от системы, которая живет лишь долю секунды», — сказал он. Руда Готлиб, вычислительный астрофизик из Института Флэтайрон, который не участвовал в наблюдениях.

Одна из возможностей заключается в том, что эти продолжительные взрывы испускает нечто большее и более запутанное, чем нейтронные звезды. В частности, их более длительная продолжительность более естественно соответствовала бы слиянию белого карлика (более крупного звездного трупа, остающегося после того, как у маленькой звезды кончается топливо) и черной дыры или нейтронной звезды. Этот сценарий приводит к тому, что черную дыру окружает больше материи. Но неясно, приведут ли столкновения с участием белых карликов к нужным видам гамма-всплесков или даже килоновам. «Этот феномен изучен гораздо меньше», — сказал Кейсен из Беркли. «Мы работаем над этим прямо сейчас».

Другой вариант заключается в том, что длинные гамма-всплески возникают вовсе не в результате «напитывания» новорожденных черных дыр. Вместо этого, если вы столкнете вместе две крошечные нейтронные звезды и получившаяся капля будет вращаться достаточно быстро, она может сопротивляться коллапсу в черную дыру в течение нескольких минут. Короткоживущим объектом будет сильно намагниченная нейтронная звезда — «магнетар», которая будет испускать более продолжительный гамма-всплеск по мере замедления своего вращения. Мецгер помог конкретизировать этот сценарий, но даже он считает его радикальной идеей. «Я все еще отношусь к этому с полным основанием скептически», — сказал он.

Самая консервативная версия, по словам Мецгера, заключается в том, что слияния нейтронных звезд гораздо сложнее, чем думают астрофизики. За лето, подробные симуляции из сотрудничества под руководством Готлиба предположили, что это часто бывает так. В частности, когда легкая нейтронная звезда встречается с достаточно тяжелой вращающейся черной дырой, нейтронная звезда движется по спирали, и черная дыра разрывает ее на сотни орбит, оставляя более тяжелый диск материала, на поглощение которого черной дыре требуются десятки секунд. . Моделируя столкновения между нейтронные звезды и черные дырыГотлиб, Мецгер и их коллеги обнаружили, что более тяжелые диски, вызывающие более длинные гамма-всплески, встречаются довольно часто.

Фактически, по иронии судьбы, их моделирование не давало часто наблюдаемых коротких всплесков так же легко, как длинные всплески, что поднимает вопросы о том, что именно приводит в действие короткие всплески.

«Мы не [до конца] понимаем эти вещи», — сказал Готлиб. «Я думаю, что это, наверное, самая большая проблема сейчас».

Заполнение пробелов

Чтобы выяснить, что на самом деле происходит при столкновении мертвых звезд, астрономам придется удвоить свои усилия по созданию подробного каталога гамма-всплесков, поскольку то, что они считали серией взрывов, в основном вызванных сверхновыми, теперь, похоже, перемешано. с некоторым неизвестным количеством слияний нейтронных звезд. Это потребует поиска килонов — признаков столкновений — как после длинных, так и коротких всплесков. Если различие между длинными и короткими сохраняется, это может быть признаком того, что существует более одного способа приготовить килонову.

«Мы понимаем, что каждый раз, когда какое-то событие относительно близко, мы должны пойти на него», — сказал Растинежад.

LIGO также будет играть решающую роль. Во время этих недавних странных всплесков обсерватория была отключена от сети для модернизации, но в настоящее время она находится в середине своего четвертого запуска, прислушиваясь к далеким столкновениям. Если LIGO сможет уловить гравитационные волны, исходящие от длинного гамма-всплеска, ученые узнают, были ли в этом замешаны нейтронные звезды или черные дыры. Это также позволит им исключить белые карлики, которые не позволяют LIGO обнаружить гравитационные волны. Детальные колебания волн в будущих обсерваториях могут даже дать подсказку о том, был ли непосредственный продукт магнетаром или черной дырой.

«[Гравитационные волны] действительно будут единственным окончательным путем вперед в этом вопросе», – сказал Мецгер.

Ощущая гравитационные раскаты слияний нейтронных звезд и наблюдая гамма-всплески и килоновые звезды, астрофизики могут в конечном итоге достичь своей долгосрочной цели — полностью объяснить происхождение каждого вещества во Вселенной — от водорода до платины и плутония. Для этого им необходимо знать, какие типы слияний происходят, как часто происходит каждый тип, какие элементы каждый тип производит и в каких количествах, а также какую роль играют другие события, такие как сверхновые. Это грандиозное предприятие, которое только начинается.

«Основная цель по-прежнему заключается в разработке астрофизических мест, где формируется каждый элемент периодической таблицы», — сказал Леван. «Есть еще пробелы, и поэтому мы думаем, что это начинает заполнять некоторые из этих важных пробелов».

Примечание редактора: Институт Флэтайрон финансируется Фондом Саймонса, который также финансирует этот редакционно независимый журнал. Ни Институт Флэтайрон, ни Фонд Саймонса не имеют никакого влияния на наше освещение. Доступна дополнительная информация здесь.