Астрономы впервые зафиксировали излучение сверхвысоких энергий от гамма-всплесков

Астрономам впервые удалось поймать от гамма-всплесков фотоны, энергия которых относится к диапазону сверхвысоких энергий — от сотни гигаэлектронвольт до сотни тераэлектронвольт. Измеренная энергия частиц света не рекордна для астрономических источников, но подтверждает правильность одной из моделей генерации излучения в гамма-всплесках. Результаты опубликованы в серии статей в Nature (1, 2, 3).

Гамма-всплески — это самые мощные вспышечные события во Вселенной. В течение одной секунды такого процесса может выделиться столько же энергии, сколько излучит Солнце за всю свою жизнь. Гамма-всплески получили название благодаря высокой яркости в наиболее жестком диапазоне электромагнитных волн, гамма-излучении, но они наблюдаются и на многих других длинах волн.

Основной проблемой исследования гамма-всплесков является кратковременность их яркой фазы, из-за чего данные собираются в первую очередь в самом гамма-диапазоне, в котором приборы обладают невысоким угловым и энергетическим разрешением. В связи с этим долгое время не удается окончательно подтвердить давно предложенную теорию их образования. Согласно ей, это излучение образуется при слиянии нейтронных звезд или коллапсе ядра обычной крупной звезды, в результате чего возникает узкий джет, в котором вещество движется с околосветовой скоростью.

Излучение гамма-всплесков обычно можно разделить на две части: более яркую короткую, длительностью в десятки секунд, и намного более продолжительное послесвечение, возникающее, как считается, при взаимодействии выброшенного на первых стадиях вещества с окружающей средой. Обычно большая часть энергии приходится на фотоны гамма-диапазона с энергией от килоэлектронвольт до сотен мегаэлектронвольт. Также в нескольких случаях космические телескопы наблюдали фотоны с энергией в десятки гигаэлектронвольт, но механизм их излучения оставался невыясненным.

В серии новых работ говорится о наблюдениях двух гамма-всплесков GRB 190114C и GRB 180720B, от которых удалось зарегистрировать рекордные для данных источников фотоны с энергиями около тераэлектронвольта. Особенностью проведенных наблюдений также является то, что частицы экстремальной энергии были пойманы в фазе послесвечения, а не во время более яркой первой, что лучше объясняется конкретной теоретической моделью.

Всплеск GRB 190114C наблюдался на черенковском телескопе MAGIC и других наземных обсерваториях. Самые высокоэнергетические частицы начали приходить спустя минуту после начала вспышки и продолжали появляться в течение 20 минут, причем их поток быстро уменьшался. GRB 180720B был замечен другим черенковским телескопом HESS. Хотя в этом случае максимальные энергии составляли всего около сотни гигаэлектронвольт, но соответствующие фотоны наблюдались спустя 10 часов после начала события, что само по себе исключительное и важное обстоятельство.

Обработка всех полученных данных позволила выяснить, что энергетический спектр излучения на стадии послесвечения обладает двумя максимумами со сравнимым пиковым потоком. Предсказание о такой форме спектра было сделано ранее в модели обратного комптоновского рассеяния синхротронных фотонов на высокоэнергетических электронах, излучивших эти частицы ранее.

До данных наблюдений этот механизм был подтвержден в случае джетов блазаров и ожидался для гамма-всплесков, но убедительных доказательств не было. При этом альтернативные предположения, такие как синхротронное излучение электронов или протонов экстремально высоких энергий, намного хуже объясняет полученные результаты.

Ранее астрономам удалось впервые определить источник фотонов с энергией выше 100 тераэлектронвольт, объяснить особенности кривых блеска гамма-всплесков сверхсветовым движением, а также впервые измерить поляризацию радиоизлучения такой вспышки.