Ученые определили источник фотонов в таинственных гамма-всплесках

Фотоны, испускаемые длинными гамма-всплесками, берут свое начало в фотосфере «релятивисткой струи», выбрасываемой умирающей взрывающейся звездой, заявляют ученые исследовании, представленном в журнале Nature Communications. Полученные результаты, по мнению авторов работы, имеют далеко идущие последствия, позволяя использовать такие события в качестве «далеких» стандартных свечей, открывающих двери к лучшему пониманию истории Вселенной и природы темной материи и темной энергии.

Гамма-всплеск представляет собой самое мощное электромагнитное явление, наблюдаемое во Вселенной. Такое событие высвобождает за одну секунду столько энергии, сколько Солнце будет вырабатывать в течение всей своей жизни. Несмотря на то, что впервые гамма-всплески были обнаружены в 1967 году, механизм, приводящий к столь огромному выбросу энергии, долгое время оставался загадкой.

Спустя десятилетия исследований ученым наконец удалось показать, что один из видов гамма-всплесков – длинный гамма-всплеск – берет свое начало в релятивистских струях вещества, испускаемых взрывающимися массивными звездами. Однако, как именно гамма-лучи производятся в джетах, до конца не изучено.

«Текущее исследование началось с открытия, названного отношением Йонетоку. Оно говорит, что связь между спектральной пиковой энергией и пиковой светимостью гамма-всплеска является самой тесной корреляцией, обнаруженной до сих пор в свойствах излучения этих событий. Таким образом, отношение Йонетоку обеспечивает лучшую диагностику различных механизмов излучения и самый строгий тест для любой модели гамма-всплесков. Эта взаимосвязь также означает, что длинные гамма-всплески можно использовать в качестве «стандартных свечей» для измерения расстояний, что позволяет нам заглянуть дальше в прошлое, чем это можно сделать с более тусклыми сверхновыми типа Ia, которые обычно используются сегодня, и получить представление об истории Вселенной, природе темной материи и темной энергии», – пишут авторы исследования.

Используя компьютерное моделирование, выполненное на нескольких суперкомпьютерах, команда протестировала так называемую модель «фотосферного излучения», являющуюся одной из ведущих для объяснения механизма гамма-всплесков. Она постулирует, что видимые на Земле фотоны испускаются из фотосферы релятивистской струи. По мере расширения джета фотонам становится легче убегать из него в так называемых местах «критической плотности», поскольку этому препятствует меньше вещества, способного рассеять свет.

Включив в симуляцию комбинацию трехмерного релятивистского гидродинамического моделирования и расчетов переноса излучения для оценки фотосферной эмиссии джета, вырывающегося из оболочки массивной звезды, ученые смогли подтвердить, что, по крайней мере в случае с длинными гамма-всплесками, модель работает.

«Для нас это убедительное доказательство того, что фотосферная эмиссия является механизмом излучения гамма-всплеска. И, хотя мы выяснили происхождение фотонов, все еще есть загадки относительно того, как коллапсирующие звезды генерируют релятивистские струи. Однако, полученные нами результаты дают ценную информацию для изучения фундаментального механизма, лежащего в основе создания этих чрезвычайно мощных событий», – заключили исследователи.

Роман Захаров
главный редактор