Команда ученых из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук, возглавляемая кандидатом физико-математических наук Дмитрием Свинкиным, совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли (США) локализовала источник короткого гамма-всплеска GRB 200415A. Оказалось, что он расположен в 11,4 миллиона световых лет от Земли в диске спиральной галактики NGC 253 и вызван гигантской вспышкой на редкой разновидности нейтронных звезд – магнетаре. Анализ события опубликован в журнале Nature.
Нейтронные звезды представляют собой удивительные объекты – они, несмотря на размеры всего в несколько десятков километров, содержат массу, близкую к массе Солнца. Чайная ложка их сверхплотного вещества весила бы на Земле около миллиарда тон. Согласно современным представлениям, нейтронные звезды образуются в процессе катастрофического сжатия ядер массивных звезд, сопровождающегося вспышками сверхновых.
«Отличительной особенностью магнетаров – особого типа нейтронных звезд – является их рекордное для Вселенной магнитное поле. Колоссальная энергия токов, поддерживающих это поле, может выделяться в виде гигантских вспышек мягкого гамма-излучения с характерной энергией отдельных фотонов в диапазоне от десятков до тысяч килоэлектронвольт», – рассказали в пресс-службе Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук.
К истокам
Открытие гигантских вспышек магнетаров состоялось более 40 лет назад в рамках экспериментов «Конус», осуществленных под руководством Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе на автоматических межпланетных станциях «Венера-11» и «Венера-12».
5 марта 1979 года космические аппараты зарегистрировали необычный исключительно интенсивный всплеск гамма-излучения с ярким начальным пиком, длившимся десятую долю секунды, за которым следовал пульсирующий затухающий «хвост». Дальнейший анализ события показал, что источником является остаток сверхновой в Большом Магеллановом Облаке – галактике-спутнике Млечного Пути.
К настоящему времени известно более 30 магнетаров, однако гигантские вспышки наблюдались только у трех источников, два из которых расположены в Млечном Пути.
Далеко и близко
Сегодня космический аппараты регистрируют короткие гама-всплески, для которых типична продолжительность не более 2 секунд, с завидным постоянством – примерно раз в неделю.
Считается, что в большинстве случаев их источниками являются слияния нейтронных звезд, происходящие в галактиках, удаленных от нас на сотни миллионов и миллиарды световых лет. Поддержкой для этой теории стало соотнесение в 2017 году короткого гамма-всплеска с гравитационными волнами, порожденными килоновой в галактике NGC 4993, которая расположена в 130 миллионах световых лет от Земли.
Однако на основе наблюдения галактических гигантских вспышек магнетаров предполагалось, что подобные события в близких к нам галактиках будут также наблюдаться как короткие гамма-всплески.
15 апреля 2020 года в 12:42 по московскому времени российским детектором «High Energy Neutron Detector», установленным на борту космического аппарата NASA «Mars-Odyssey», а также космическими обсерваториями NASA «Fermi», NASA «Swift» и ESA «INTEGRAL», был зафиксирован один из них – GRB 200415A. Он продлился всего несколько десятых долей секунды. Второй взрыв произошел примерно через 20 секунд после первого и имел гораздо более высокую энергию гамма-излучения, чем первый. Он также длился дольше, что нехарактерно для всплесков от слияний нейтронных звезд.
Всесторонний анализ яркого гамма-всплеска выявил удивительный факт – временной профиль импульса и другие параметры этого события были практически идентичны всплеску GRB 051103, зарегистрированному 3 ноября 2005 года, источник которого находился на приблизительно таком же расстоянии от Земли, что и галактика NGC 253.
Кроме того, было обнаружено поразительное сходство характеристик всплесков GRB 051103 и GRB 200415A со свойствами гигантских вспышек магнетаров, наблюдавшихся в Млечном Пути. Это открытие впервые явно продемонстрировало, что часть коротких гамма-всплесков имеет магнетарную природу.
«Детектирование GRB 200415A подтолкнуло международную команду ученых к обширному ретроспективному поиску других гигантских вспышек магнетаров среди коротких гамма-всплесков. В результате в дополнение к двум ранее известным кандидатам в гигантские вспышки была обнаружена еще одна. На основе набора семи событий, трех галактических и четырех внегалактических, было впервые определено распределение вспышек по энергетике и показано, что их доля среди коротких гамма-всплесков составляет примерно два процента», – отметили в пресс-службе Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук.
Что дальше?
Изучение гигантских вспышек внегалактических магнетаров, ослабленных для земного наблюдателя большим расстоянием до источников, чрезвычайно важно для понимания процессов генерации огромных потоков гамма-излучения в сверхсильных магнитных полях.
Анализ GRB 200415A по данным обсерваторий «Fermi» и «Swift» выявил существенную переменность кривой блеска события на субмиллисекундных масштабах, а скорость нарастания интенсивности излучения оказалась в 100 раз выше, чем в гамма-всплесках, связанных со слияниями нейтронных звезд. Эти особенности гигантских вспышек позволят в будущем выделять их из совокупности всей популяции.
«Таким образом, исследование свойств события GRB 200415A впервые позволило надежно установить связь части коротких гамма-всплесков с гигантскими вспышками магнетаров в близких галактиках и получить уникальную информацию о свойствах редких нейтронных звезд со сверхсильными магнитными полями», – заключили в пресс-службе Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук.
