Астрономы считали, что разгадали тайну гамма-всплесков. Однако несколько недавних событий говорят об обратном. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
При столкновении мертвых звезд в космос выбрасывается поток гамма-лучей, а в сверкающих обломках, окружающих место столкновения, образуются такие элементы, как золото и платина.
Введение
11 декабря 2021 года пучок гамма-лучей — наиболее энергичной формы света — врезался в спутник НАСА Swift. В течение 120 секунд спутник развернулся в сторону взрыва и обнаружил тлеющие искры космической катастрофы. Через десять минут астрономам по всему миру были разосланы оповещения.
Среди них была Джиллиан Растинеджад, аспирантка Северо-Западного университета. Растинеджад и ее коллеги сочли этот гамма-всплеск подозрительно похожим на необычный всплеск 2006 года. Растинеджад связалась с обсерваторией «Джемини» на Гавайях и привлекла исследователей для пристального изучения участка неба, откуда исходил всплеск. Несколько дней спустя, когда набежали облака, исследовательница из обсерватории MMT в Аризоне взяла на себя управление, стараясь удерживать телескоп направленным на угасающее пятно света на расстоянии миллиарда световых лет.
Это было непросто, учитывая, что погода там тоже менялась, сказал Растинеджад. «Она каждый день около 4 утра находила для нас просвет в облаках».
К тому времени, когда цепочка наблюдений завершилась примерно через неделю, Растинеджад и ее коллеги уже имели довольно хорошее представление о том, что вызвало эти гамма-лучи во Вселенной. По мере того, как они наблюдали, последствия вспышки становились все краснее и краснее — несомненный признак того, что в обломках происходила ковка тяжелых атомов, таких как золото и платина. Главным источником такой космической алхимии являются столкновения нейтронных звезд, невероятно плотных ядер мертвых солнц.
Единственная проблема заключалась в том, что такой вывод казался невозможным. Астрофизики предполагают, что при слиянии нейтронных звезд все заканчивается за доли секунды. Но телескоп Swift зафиксировал гамма-излучение, длившееся невероятные 51 секунду — обычно это признак совершенно иного рода космической драмы.
С тех пор астрономы зафиксировали еще несколько подобных событий. Самое недавнее произошло в марте, когда второй по яркости гамма-всплеск из когда-либо зарегистрированных длился 35 секунд. И снова астрономы наблюдали красноватые последствия столкновения нейтронных звезд. Они также привлекли космический телескоп Джеймса Уэбба для изучения этого необычного всплеска и обнаружили признаки тяжелого элемента теллура в оседающей пыли.
В совокупности эти наблюдения открывают новую загадку в области астрономии, которую большинство исследователей считали решенной: что заставляет эти предположительно быстрые, мощные события испускать гамма-лучи так долго? Это головоломка, 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 мощных вспышек.
«Я был очень рад это увидеть», — сказал Дэниел Касен, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли, специализирующийся на космических взрывах. «Это стало настоящей загадкой».
Холодная война, блестящие взрывы
Сегодня телескоп Swift фиксирует гамма-вспышку каждые несколько дней. Но эти вспышки были неизвестны до 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, возникшая вспышка гамма-лучей — энергетических световых волн, длительностью всего лишь долю ядра атома, — была бы не поддающейся сокрытию.
Спутники не зафиксировали никаких нарушений со стороны Советского Союза. Однако в период с 1969 по 1972 год они зафиксировали 16 загадочных вспышек гамма-излучения, которые исследователи из Национальной лаборатории Лос-Аламоса определили как имеющие «космическое происхождение».
В последующие десятилетия НАСА подключилось к исследованию. В 1991 году космическое агентство запустило специальный спутник для поиска гамма-всплесков, и за следующие девять лет он зафиксировал почти 3000 гамма-всплесков. События были двух типов: короткие и длинные. Большинство коротких всплесков длились менее секунды, в то время как многие длинные всплески продолжались минуту или дольше (разделительная линия между двумя типами проходит примерно через две секунды).
Что бы ни вызывало эти вспышки, они казались катастрофическими; менее чем за половину длительности поп-песни они излучали примерно столько же энергии, сколько наше Солнце производит за миллиарды лет. Что же могло так ярко вспыхнуть? Астрофизики сначала не были уверены, но колоссальная энергия указывала на катастрофы, способные уничтожить мир. А две продолжительности указывали на два типа катастроф: более быструю, длящуюся около секунды, и (несколько) более медленную, разворачивающуюся в течение минуты.
Астрономы первыми обнаружили происхождение более медленных вспышек. В конце 1990-х годов, когда исследователи стали точнее определять направление вспышки, они начали фиксировать послесвечения, которые указывали на космические взрывы. Затем, в 2003 году, астрономы, наблюдавшие за послесвечением неподалеку, увидели яркую феерию сверхновой всего через несколько дней после продолжительной гамма-вспышки: эта вспышка ознаменовала первый этап гибели гигантской звезды.
Для понимания более быстрого катаклизма потребовалось еще десятилетие и более совершенные инструменты. Прорывным инструментом стал спутник НАСА Swift. Запущенный в 2004 году, Swift был оснащен метровой пластиной из свинца с рисунком, способной улавливать гамма-лучи из широкого участка неба. Что особенно важно, он также обладал уникальной способностью быстро поворачивать пару бортовых телескопов в направлении любых астрономических вспышек. (По преданию ученых, работавших со 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.)
Благодаря телескопу Swift астрономы теперь могли наблюдать вспышки в течение двух минут — достаточно быстро, чтобы впервые зафиксировать послесвечение коротких гамма-вспышек. Наблюдая за затуханием первоначальной вспышки, астрономы также увидели признаки последующего взрыва, который со временем становился всё краснее. Астрофизики вскоре подсчитали, что такое покраснение следует ожидать после слияния нейтронных звёзд (которое может представлять собой столкновение двух нейтронных звёзд или нейтронной звезды и чёрной дыры). Такое столкновение выбросило бы обломки, блокирующие более короткие, синие волны света. Сопоставление этих взрывов, получивших название килоновых, с короткими гамма-вспышками, которые им предшествовали, предоставило убедительные косвенные доказательства того, что слияния нейтронных звёзд были той самой короткой катастрофой.
Гамма-лучи настолько энергичны, что пробивают насквозь стандартные оптические материалы. Спутник Swift останавливает гамма-лучи с помощью этой узорчатой свинцовой пластины и использует «тени», которые они отбрасывают на датчик, чтобы определить их местоположение на небе.
Прямые доказательства появились 17 августа 2017 года. Две расположенные поблизости нейтронные звезды столкнулись и потрясли ткань пространства-времени, породив гравитационные волны, которые смог зафиксировать Лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Расшифровав информацию, закодированную в этих волнах, ученые позже рассчитали массы столкнувшихся объектов и выяснили, 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 в том же месте, где произошел гамма-всплеск. Три последовательных наблюдения не оставили места для сомнений: короткие всплески могут быть результатом слияния нейтронных звезд.
«Это окончательно всё подтвердило», — сказал Брайан Метцгер, астрофизик из Колумбийского университета и один из теоретиков, первым предсказавших, как будет выглядеть килонова после слияния. «[Мы подумали]: „Окей, эта картина действительно имеет смысл“».
Эта картина начинает рушиться.
Неожиданный поворот в третьем акте
Сначала, в конце 2021 года, произошла 51-секундная вспышка Растинеджада. Она очень напоминала длительную вспышку 2006 года, которая, как ни странно, не сопровождалась сверхновой. Но благодаря современным инструментам и более глубокому пониманию того, что нужно искать, Растинеджад и его коллеги смогли увидеть то, что астрономы в 2006 году не заметили: за вспышкой 2021 года последовала тусклая красная килонова.
Это наблюдение побудило Эндрю Левана из Университета Радбоуда вернуться к изучению загадочной 64-секундной вспышки, которая не давала ему покоя с 2019 года. Вспышка произошла в самом сердце древней галактики, где рождение и гибель звёзд (в виде сверхновых) прекратились много веков назад. В июне Леван и его коллеги предположили, что наиболее вероятным объяснением этой длительной вспышки является то, что два звёздных остатка — по крайней мере один из которых, вероятно, был нейтронной звездой — нашли друг друга и слились.
Гамма-телескоп Fermi НАСА, находящийся сейчас на низкой околоземной орбите, помогает ученым изучать космические явления, в результате которых образуются гамма-лучи — самая энергичная форма света в космосе.
А теперь космический телескоп Джеймса Уэбба предоставил самое четкое на сегодняшний день изображение того, что происходит после аномальной вспышки. Когда 35-секундная вспышка достигла Земли 7 марта, свинцовая пластина Swift, чувствительная к гамма-излучению, была повернута в другом направлении. Энергичные лучи были обнаружены в основном телескопом Fermi, который определил ее как вторую по яркости гамма-вспышку за всю историю (после рекордного события в 2022 году).
Вместо телескопа Swift астрономы использовали межпланетный флот космических аппаратов (включая зонды на Марсе и Меркурии), чтобы точно определить местоположение вспышки. В последующие дни, когда наземные телескопы снова зафиксировали характерное покраснение килоновой, Леван быстро отправил экстренный запрос на наблюдение этого события с помощью телескопа JWST практически в режиме реального времени. «К счастью для нас, они ответили утвердительно», — сказал Леван. «Это позволило нам получить эти наблюдения примерно через месяц после первоначальной вспышки».
Телескоп JWST собрал огромное количество данных из поля клубящихся обломков. Оптические телескопы не могут заглянуть глубоко в плотное облако килоновой именно по той причине, по которой это событие так привлекает внимание астрофизиков: оно выбрасывает гигантские, блокирующие свет атомы посредством сложной цепочки событий, известной как r-процесс.
В звёздах обычно происходит слияние атомов водорода в гелий, а затем более лёгкие атомы превращаются в несколько более тяжёлые, такие как кислород и углерод. r-процесс — один из немногих способов напрямую получить самые тяжёлые встречающиеся в природе элементы. Это происходит потому, что столкновение нейтронных звёзд создаёт плотный вихрь нейтронов. В этом хаосе нейтроны многократно проникают в ядра атомов, образуя крайне нестабильные и радиоактивные атомы. По мере распада нейтроны в этих атомах превращаются в протоны. Если в результате получается 78 протонов, это атом платины. Если 79 протонов, это золото.
Крупные атомы, образовавшиеся в результате пылевого загрязнения нейтронной звезды, блокируют видимый свет и светят преимущественно в инфракрасном диапазоне. Именно поэтому JWST — инфракрасный телескоп — так хорошо подходил для наблюдения за облаком килоновой. «Мы никогда раньше не наблюдали килонову с помощью JWST, — сказал Метцгер. — Это идеальный инструмент».
В обломках телескоп JWST обнаружил атомы теллура (52 протона), что подтверждает, что слияния нейтронных звезд могут приводить к образованию довольно тяжелых элементов, расположенных в конце пятого ряда периодической таблицы. «Это гораздо более тяжелый элемент, чем те, которые мы видели раньше», — сказал Леван.
Но в то же время, наблюдения JWST подтверждают растущее понимание того, что, несмотря на кажущуюся ранее маловероятность, слияния нейтронных звезд могут приводить к длительным гамма-всплескам. Вопрос теперь в том: как?
Плотные объекты, длинные вспышки
Сверхновые испускают длительные гамма-всплески, потому что звездные взрывы относительно медленны и сопровождаются значительными разрушениями. Смерть гигантской звезды начинается с коллапса ее центра в черную дыру. После этого значительная часть внешнего вещества звезды — возможно, масса которого равна массе нескольких солнц — по спирали движется к черной дыре, выбрасывая мощные струи частиц, которые испускают гамма-лучи в пустоту в течение нескольких минут.
Слияния нейтронных звезд, напротив, должны заканчиваться мгновенно. Нейтронная звезда вмещает массу, равную массе Солнца, в гладкую, крошечную сферу диаметром всего несколько километров. Когда две такие плотные сферы сталкиваются — или когда одна из них врезается в черную дыру — материя коллапсирует в черную дыру. Во время этого финального спазма на орбиту выбрасывается гораздо меньше остаточной материи, чем в случае коллапса звезды. Поглощая эту легкую «закуску», которая может весить в 10 раз меньше Солнца, черная дыра на короткое время питает струи (и гамма-всплеск), длящиеся десятые доли секунды.
Эндрю Леван и его коллеги хотят выяснить, какие космические события формируют каждый встречающийся в природе элемент периодической таблицы. Для этого им необходимо вести подробный учет катаклизмов, таких как слияния нейтронных звезд.
Новые наблюдения Левана, Растинеджада и других исследователей противоречат этому быстрому и четкому изображению слияния нейтронных звезд. «Нет никакого смысла в 10-секундном всплеске активности системы, которая существует лишь доли секунды», — сказал Оре Готтлиб, специалист по вычислительной астрофизике из Института Флатирон, не принимавший участия в наблюдениях.
Одна из возможностей заключается в том, что эти продолжительные вспышки испускает нечто более крупное и хаотичное, чем нейтронные звезды. В частности, их большая продолжительность больше соответствовала бы слиянию белого карлика — более крупного звездного остатка, остающегося после того, как у небольшой звезды заканчивается топливо, — и черной дыры или нейтронной звезды. В этом сценарии вокруг черной дыры образуется больше материи. Но неясно, приведут ли столкновения белых карликов к появлению гамма-всплесков нужного типа или даже килоновых. «Это явление изучено гораздо меньше», — сказал Касен из Беркли. «Мы работаем над этим прямо сейчас».
Другой вариант заключается в том, что длительные гамма-всплески возникают вовсе не из-за поглощения новорожденных черных дыр. Вместо этого, если столкнуть две крошечные нейтронные звезды, и образовавшийся сгусток будет вращаться достаточно быстро, он может сопротивляться коллапсу в черную дыру в течение нескольких минут. Короткоживущий объект будет представлять собой сильно намагниченную нейтронную звезду — «магнетар» — которая будет испускать более длительный гамма-всплеск по мере замедления своего вращения. Метцгер помог развить этот сценарий, но даже он считает его радикальной идеей. «Я все еще отношусь к этому сдержанно и справедливо», — сказал он.
По словам Метцгера, наиболее консервативная версия заключается в том, что слияния нейтронных звезд просто более хаотичны, чем считали астрофизики. Летом подробные моделирования, проведенные группой исследователей под руководством Готлиба, показали, что это может часто иметь место. В частности, когда легкая нейтронная звезда сталкивается с достаточно тяжелой вращающейся черной дырой, нейтронная звезда вращается по спирали, а черная дыра разрывает ее на сотни оборотов, оставляя более тяжелый диск из вещества, который черная дыра поглощает за десятки секунд. Моделируя столкновения нейтронных звезд и черных дыр, Готлиб, Метцгер и их коллеги обнаружили, что более тяжелые диски, вызывающие более длительные гамма-всплески, встречаются довольно часто.
По иронии судьбы, их моделирование не так легко воспроизводило часто наблюдаемые короткие вспышки, как длинные, что поднимает вопросы о том, что именно питает эти короткие вспышки.
«Мы не до конца понимаем эти вещи», — сказал Готтлиб. «Думаю, это, пожалуй, самая большая проблема на данный момент».
Заполнение пробелов
Чтобы понять, что на самом деле происходит при столкновении мертвых звезд, астрономам придется удвоить усилия по созданию подробного каталога гамма-всплесков, поскольку то, что они считали серией взрывов, в основном вызванных сверхновыми, теперь, по-видимому, смешано с неизвестным количеством слияний нейтронных звезд. Для этого потребуется поиск килоновых — признаков столкновений — после как длинных, так и коротких всплесков. Если различие между длинными и короткими всплесками сохранится, это может быть признаком того, что существует не один способ образования килоновой.
«Мы понимаем, что если поблизости проходит какое-либо мероприятие, мы должны в нем участвовать», — сказал Растинеджад.
Обсерватория LIGO также сыграет решающую роль. Во время этих недавних необычных вспышек она была отключена для модернизации, но сейчас находится в середине четвертого цикла наблюдений за далекими столкновениями. Если LIGO сможет зафиксировать гравитационные волны, исходящие от длинной гамма-вспышки, ученые узнают, были ли в нейтронных звездах или черных дырах участники. Это также позволит им исключить белые карлики, гравитационные волны которых не обнаруживаются LIGO. Детальные колебания волн в будущих обсерваториях могут даже дать подсказки о том, был ли непосредственным результатом магнетар или черная дыра.
«[Гравитационные волны] станут единственным верным путем решения этого вопроса», — сказал Метцгер.
Зафиксировав гравитационные колебания при слиянии нейтронных звезд и наблюдая за гамма-всплесками и килоновыми, астрофизики, возможно, в конечном итоге достигнут своей долгосрочной цели — полного объяснения происхождения каждого вещества во Вселенной, от водорода до платины и плутония. Для этого им необходимо знать, какие типы слияний происходят, как часто встречается каждый тип, какие элементы производит каждый тип и в каких количествах, а также какую роль играют другие события, такие как сверхновые. Это сложная задача, которая только начинается.
«Основная задача по-прежнему заключается в определении астрофизических мест, где образуется каждый элемент периодической таблицы», — сказал Леван. «Есть еще пробелы, и мы считаем, что это начинает заполнять несколько из этих важных пробелов».
Примечание редактора: Институт Флэтайрон финансируется Фондом Саймонса, который также финансирует этот независимый от редакции журнал. Ни Институт Флэтайрон, ни Фонд Саймонса не оказывают никакого влияния на наши публикации. Более подробная информация доступна здесь.
Источник: www.quantamagazine.org
