Астрономи помітили яскравий гамма-спалах, який перекреслює попередні теорії про те, як відбуваються ці енергійні космічні виверження.
Десятиліттями астрономи вважали, що гамма-всплески бувають двох типів: довгі та короткі, тобто тривають довше двох секунд або швидше зникають. Кожен тип був пов’язаний з різними космічними подіями. Але приблизно рік тому два космічні телескопи НАСА зафіксували короткий гамма-всплеск у довгій формі гамма-всплеску: він тривав довго, але походив від джерела короткого гамма-всплеску.
«У нас було таке чорно-біле бачення Всесвіту», — каже астрофізик Елеонора Троя з Римського університету Тор Вергата. «Це червоний прапор, який говорить нам, ні, це не так. Сюрприз!»
Цей спалах, названий GRB 211211A, є першим, який однозначно порушує подвійну систему, повідомляють Троя та інші 7 грудня в п’яти статтях у Nature and Nature Astronomy .
До виявлення цього спалаху астрономи здебільшого вважали, що існує лише два способи створення гамма-всплеску. Колапс масивної зірки безпосередньо перед вибухом наднової зірки може призвести до тривалого гамма-спалаху, який триватиме понад дві секунди. Або пара щільних зоряних трупів, які називаються нейтронними зірками, може зіткнутися, злитися й утворити нову чорну діру, випустивши короткий гамма-спалах тривалістю дві секунди або менше.
Але були деякі відхилення. Напрочуд короткий GRB у 2020 році, здавалося, був результатом імплозії масивної зірки. А деякі довготривалі гамма-всплески, що датуються 2006 роком, не мали наднової після факту, що викликає питання щодо їх походження.
«Ми завжди знали, що існує перекриття», — каже астрофізик Крісса Кувеліотоу з Університету Джорджа Вашингтона у Вашингтоні, округ Колумбія, яка написала статтю 1993 року, у якій представила дві категорії GRB , але не брала участі в новій роботі. «Були деякі відхилення, які ми не знали, як інтерпретувати».
У GRB 211211A немає такої таємниці: спалах тривав понад 50 секунд і явно супроводжувався кілоновою, характерним сяйвом нових елементів, які утворюються після розбиття нейтронної зірки.
«Хоча ми підозрювали, що гамма-всплески з розширеним випромінюванням були злиттям… це перше підтвердження», — говорить астрофізик Бенджамін Гомперц з Бірмінгемського університету в Англії, який описує спостереження спалаху в Nature Astronomy . «У нього є kilonova, яка є димлячим пістолетом».
Космічні телескопи NASA Swift і Fermi зафіксували вибух 11 грудня 2021 року в галактиці приблизно за 1,1 мільярда світлових років від нас. «Ми думали, що це звичайний довгий гамма-спалах», — каже астрофізик Вен-фай Фонг з Північно-Західного університету в Еванстоні, Іллінойс.
Це було відносно близько, як GRBs. Це дозволило дослідницьким групам Фонга та Троя незалежно продовжувати уважно спостерігати за вибухом у великих деталях за допомогою наземних телескопів, повідомляють групи в Nature .
Йшли тижні, а наднова не з’являлася, дослідники спантеличилися. Їхні спостереження показали, що те, що створило гамма-всплеск, також випромінювало набагато більше оптичного та інфрачервоного світла, ніж це типово для джерела довгого гамма-всплеску.
Виключивши інші пояснення, Троя та його колеги порівняли наслідки вибуху з першою кілоновою, яку коли-небудь спостерігали разом із брижами в просторі-часі, званими гравітаційними хвилями. Матч був майже ідеальним. «Тоді багато людей переконалися, що ми говоримо про кілонову», — каже вона.
Оглядаючись назад, стає очевидним, що це була кілонова, каже Троя. Але в цей момент це було так само неможливо, як побачити лева в Арктиці. «Це схоже на лева, воно реве як лев, але його тут не повинно бути, тому цього не може бути», – каже вона. «Це саме те, що ми відчували».
Тепер питання в тому, що сталося? Як правило, нейтронні зірки, що зливаються, майже миттєво колапсують у чорну діру. Гамма-промені походять від матеріалу, який перегрітий, коли він падає в чорну діру, але матеріалу мало, і чорна діра поглинає його протягом двох секунд. Отже, як GRB 211211A зберігав світло протягом майже хвилини?
Цілком можливо, що нейтронні зірки спочатку злилися в одну, більшу нейтронну зірку, яка ненадовго протистояла тиску, щоб зруйнуватися в чорну діру. Це має наслідки для фундаментальної фізики, яка описує, наскільки важко роздавити нейтрони в чорну діру, каже Гомперц.
Інша можливість полягає в тому, що нейтронна зірка зіткнулася з маленькою чорною дірою, приблизно в п’ять разів більшою за масу Сонця, замість іншої нейтронної зірки. І процес поїдання чорною дірою нейтронної зірки тривав довше.
Або це могло бути щось зовсім інше: нейтронна зірка злилася з білим карликом , припускають астрофізик Бінг Чжан з Університету Невади в Лас-Вегасі та його колеги в Nature . «Ми пропонуємо третій тип прабатька, який дуже відрізняється від попередніх двох типів», — говорить він.
Білі карлики є залишками менших зірок, таких як Сонце, і не такі щільні або компактні, як нейтронні зірки. Зіткнення між білим карликом і нейтронною зіркою все ще може призвести до появи кілонової, якщо білий карлик дуже важкий.
Отриманий об’єкт може бути сильно намагніченою нейтронною зіркою, яка називається магнетар. Магнетар міг би продовжувати перекачувати енергію в гамма-промені та інші довжини хвилі світла, продовжуючи життя спалаху, каже Чжан.
Яким би не було його походження, GRB 211211A є великою справою для фізики. «Це важливо, тому що ми хотіли зрозуміти, що це за події?» – каже Кувеліотоу.
З’ясування причини цього може прояснити, як утворюються важкі елементи у Всесвіті. А деякі раніше бачені довгі гамма-всплески, які, як вважали вчені, походять від наднових, насправді могли бути результатом злиття.
Щоб дізнатися більше, вченим потрібно знайти більше таких подвійних гамма-всплесків, а також одночасно спостерігати гравітаційні хвилі. Трейо вважає, що вони зможуть отримати це, коли Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, або LIGO, знову запрацює в 2023 році.
«Я сподіваюся, що LIGO надасть деякі докази», — каже Кувеліоту. «Природа може виявитися витонченою і дати нам пару таких подій із аналогами гравітаційних хвиль, і, можливо, [допомогти нам] зрозуміти, що відбувається».