ФТИ им. А. Ф. Иоффе
Лаборатория экспериментальной астрофизики
enru

Яркая вспышка гамма-излучения в близкой галактике проливает свет на природу коротких гамма-всплесков и нейтронных звёзд со сверхсильными магнитными полями – манетаров.

13 января 2021 г. в ведущих мировых научных журналах опубликована серия статей, посвященная ярчайшей вспышке космического гамма-излучения GRB 200415A. Необычные свойства данного события позволили нескольким группам астрофизиков связать его с гигантской вспышкой магнетара в галактике NGC 253 (Скульптора), находящейся на расстоянии более 11 миллионов световых лет от Земли.

Магнетары – редкая разновидность нейтронных звёзд – удивительных объектов размером в несколько десятков километров и массой близкой к массе Солнца. Чайная ложка сверхплотного вещества нейтронной звезды имеет массу около миллиарда тонн, что сравнимо с массой горы Эверест. Нейтронные звёзды образуются в процессе катастрофического сжатия ядер массивных звёзд, сопровождающегося вспышками сверхновых. Отличительной особенностью класса магнетаров является их рекордное для Вселенной магнитное поле (свыше 1010 Тл), превышающее критическое поле поляризации вакуума квантовой электродинамики. 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, что сравнимо с энергией излучения, используемого в медицинской и промышленной компьютерной томографии (КТ).

Открытие гигантских вспышек магнетаров – фундаментальный результат экспериментов «Конус», осуществленных 40 лет назад ФТИ им. А. Ф. Иоффе на автоматических межпланетных станциях «Венера-11» и «Венера-12». 5 марта 1979 г. они зарегистрировали необычный исключительно интенсивный всплеск гамма-излучения с ярким начальным пиком, длившимся десятую долю секунды, за которым следовал пульсирующий затухающий «хвост». Положение источника всплеска на небесной сфере было определено триангуляционным методом по задержке регистрации фронта его излучения детекторами, находящимися на космических аппаратах в межпланетном пространстве на расстоянии в миллионы километров друг от друга. Оказалось, что всплеск, как и ряд более слабых всплесков, пришел из остатка сверхновой N49, находящегося на расстоянии 160 тысяч световых лет в ближайшем спутнике нашей Галактики, Большом Магеллановом Облаке. Необычные свойства события 5 марта 1979 г. впервые указали на возможную связь источников повторяющихся гамма-всплесков (англ. Soft Gamma-repeaters, SGR) и нейтронных звезд.

К настоящему времени известно более 30 магнетаров, но гигантские вспышки наблюдались только у трех источников: SGR 0526-66 в Большом Магеллановом Облаке, SGR 1900+14 (27 августа 1998 г.) и SGR 1806-20 (27 декабря 2004 г.) в нашей Галактике (название источников образовано из небесных координат источника в экваториальной системе). Два последних события были детально изучены в российском эксперименте «Конус-Винд», проводимом ФТИ им. А. Ф. Иоффе с целью изучения вспыхивающих источников в гамма-диапазоне, и установленном на космическом аппарате «Wind» (NASA). Колоссальная яркость гигантских вспышек, вводящая чувствительные астрофизические приборы в состояние глубокого насыщения, позволяет лишь приблизительно оценить их полную энергию, достигающую 1039 Дж и пиковую светимость (1040 Дж/с). Эти оценки были получены, в частности, путем измерения интенсивности отраженного от Луны сигнала вспышки 27 декабря 2004 г. в другом эксперименте ФТИ им. А. Ф. Иоффе ГЕЛИКОН на околоземном спутнике КОРОНАС-Ф.

На основе наблюдения галактических гигантских вспышек предполагалось, что подобные события в близких галактиках будут наблюдаться как короткие гамма-всплески. Такие вспышки, с типичной длительностью менее 2 секунд, регистрируются современными космическими обсерваториями примерно раз в неделю. Источниками подавляющего числа этих событий, происходящих на расстояниях в сотни миллионов и миллиарды световых лет, являются слияния нейтронных звёзд, что было подтверждено одновременным детектированием короткого гамма-всплеска и всплеска гравитационных волн 17 августа 2017 года.

15 апреля 2020 года очень яркий всплеск гамма-излучения GRB 200415A (названия гамма-всплесков образованы из даты регистрации события, буквой обозначается очередность регистрации всплесков в указанные сутки), длившийся несколько десятых долей секунды, был зарегистрирован детектором эксперимента «Конус-Винд», детектором HEND, разработанным в московском Институте космических исследований и установленным на борту космического аппарата «Mars-Odyssey» (NASA), а также космическими обсерваториями Fermi, Swift и INTEGRAL.

Локализация источника всплеска на небесной сфере, проведенная учеными из ФТИ им. А. Ф. Иоффе и университета Беркли в Калифорнии, показала, что он находится в диске спиральной галактики NGC 253 (галактика Скульптор на расстоянии 11 миллионов световых лет). Всесторонний анализ события по данным эксперимента «Конус-Винд», опубликованный в журнале Nature, установил удивительный факт – временной профиль импульса и другие параметры этого события был практически идентичны всплеску GRB 051103, зарегистрированному в эксперименте «Конус-Винд» 3 ноября 2005 года, источник которого находился в группе галактик M81/M82, находящейся на приблизительно таком же расстоянии от Земли, как NGC 253. Кроме того, было обнаружено поразительное сходство характеристик всплесков GRB 051103 и GRB 200415A со свойствами гигантских вспышек магнетаров, наблюдавшихся в нашей Галактике. Это открытие впервые явно продемонстрировало, что часть коротких гамма-всплесков имеет магнетарную природу.

Детектирование GRB 200415A подтолкнуло международную команду учёных к обширному ретроспективному поиску других гигантских вспышек магнетаров среди коротких гамма-всплесков. Результаты этой работы были опубликованы в Astrophysical Journal Letters. В дополнение к двум ранее известным кандидатам в гигантские вспышки в галактиках M81/M82 – GRB 051102 и M31 (туманность Андромеды) – GRB 070201 ими была обнаружена вспышка в галактике M83 – GRB 070222. На основе набора семи гигантских вспышек (трёх галактических и четырёх внегалактических) было впервые определено распределение вспышек по энергетике и показано, что доля гигантских вспышек среди коротких гамма-всплесков составляет примерно два процента.

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 нарастание интенсивности излучения оказалось в 100 раз выше, чем в гамма-всплесках, связанных со слияниями нейтронных звёзд. Такие особенности гигантских вспышек позволят в будущем выделять их из совокупности коротких гамма-всплесков. Помимо мягкого, относительно низкоэнергетического излучения, телескопом гамма-квантов высоких энергий LAT на борту обсерватории Fermi было зарегистрировано три фотона с энергией больше одного гигаэлектронвольта, пришедших в интервале от 19 секунд до 4.7 минут после события, что нехарактерно для всплесков от слияний. Эти кванты, предположительно, образовались на значительном удалении от магнетара.

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 звёзд со сверхсильными магнитными полями.

Рис. 1. Временные профили гигантских вспышек магнетаров в близких галактиках: GRB 051103 в M81/M82 (синий) и GRB 200415A в NGC 253 (красный).

Рис. 2. Область локализации источника гамма-вспышки GRB 200415A, полученная триангуляционным методом по данным космических экспериментов Konus-Wind (ФТИ им. Иоффе РАН), Fermi-GBM (NASA) и Mars-Odyssey – HEND (ИКИ РАН), включающая центральный регион галактики NGC 253 (Скульптора) на расстоянии 11 млн св. лет от Земли.