Российский рентгеновский телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» и российский прибор «Конус» на борту аппарата WIND (NASA) исследовали гамма-всплеск GRB 221009A — самый яркий из гамма-всплесков, зарегистрированных «Конусом» за почти 30 лет его непрерывной работы и, возможно, самый яркий гамма-всплеск за всю историю человечества. Детальные наблюдения этого события в широком диапазоне длин волн показали, что наиболее вероятным источником гамма-всплеска была массивная звезда, «схлопнувшаяся» в черную дыру. Однако многие особенности этого процесса и физики самого всплеска ещё требуют дополнительных исследований.
Собственное излучение GRB221009A по данным прибора Конус/Wind (фиолетовая кривая диапазон энергий 80–320 кэВ) и телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского/СРГ (зеленая кривая, диапазон энергий 4–120 кэВ). По горизонтали время в секундах с момента начального импульса IP. По вертикали скорость счета детекторов в секунду. P1–P4 — четыре пиковых импульса. Рисунок из статьи D. Frederiks et al. 2023 https://arxiv.org/abs/2302.13383
Гамма-всплеск GRB 221009A произошёл 9 октября 2022 года (отсюда и его обозначение) в 13:17:00 UTC и сразу же произвел сенсацию. Он оказался настолько мощным, что «ослепил» большинство космических детекторов гамма-излучения. Образно говоря, число фотонов, пришедших на детекторы, оказалось столь велико, что они «захлебнулись» в счете и поэтому не смогли показать реальную светимость события. Только единицы справились с этой задачей, среди которых два отечественных инструмента.
В числе экспериментов, наблюдавших это событие, — российский прибор «Конус» на борту космического аппарата Wind (NASA) и российский телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского на борту космической обсерватории «Спектр-РГ».
Они находятся в двух точках Лагранжа, расположенных симметрично относительно Земли. Wind — в точке L1, на линии «Земля—Солнце» в 1,5 миллионах километров от Земли в сторону Солнца. С другой стороны, на тех же 1,5 миллионах километров по той же линии, но уже в сторону и от Земли, и от Солнца (L2) находится российская рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ».
Как и многие другие приборы, «Конус» был вначале «ослеплен» сильным гамма-всплеском. Тем не менее ключевые параметры этого гамма-всплеска, включая его истинную яркость, всё же удалось восстановить, в том числе благодаря совместной работе «Конуса» и ART-XC.
«Поток фотонов, падающий на детектор «Конуса», превышал два миллиона событий в секунду, что находится за пределами возможности его прямой регистрации чувствительной аппаратурой эксперимента. Однако за почти три десятка лет проведения эксперимента у нашей команды накопился опыт восстановления интенсивности и спектрального состава сверхъярких вспышек космического гамма-излучения, включая исключительно редкие гигантские вспышки магнитаров в нашей Галактике и сверхмощные солнечные вспышки, — говорит Дмитрий Фредерикс, научный руководитель эксперимента «Конус», заведующий лабораторией Экспериментальной астрофизики Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. — В результате нам удалось реконструировать кривую блеска события, подтвержденную независимыми наблюдениями ART-XC, и определить колоссальную энергию, выделенную источником всплеска всего за несколько минут. Она превышает 1055 эрг (что эквивалентно более 6,5 массам покоя Солнца). Это сделало GRB 221009A самым ярким гамма-всплеском среди более 3500 подобных событий, зарегистрированных с момента начала работы «Конуса» в 1994 году».
Телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского тоже зарегистрировал гамма-всплеск, но не напрямую, так как его источник в это время находился в стороне от поля зрения телескопа, а через вторичный поток рентгеновского излучения, рожденного в корпусе телескопа под действием гамма-всплеска. Иными словами, корпус сыграл роль «щита», ослабившего мощность всплеска, и именно благодаря этому, а также высокочувствительным детекторам ART-XC удалось надежно измерить форму истинной кривой блеска GRB 221009A.
«Телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского спроектирован в основном для задач проведения рентгеновских обзоров неба с высокой чувствительностью. Именно поэтому, чтобы уменьшить фон, разработчики обеспечили надежную защиту от «паразитного» излучения, приходящего извне поля зрения инструмента, — рассказывает Сергей Мольков, старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН. — Однако событие было столь мощным и его энергетический спектр настолько жестким, что значительная часть излучения, в основном в переработанном виде, достигла детекторов. Но все-таки поток был достаточно ослаблен, чтобы форма сигнала не была искажена из-за инструментальных эффектов. Именно в этом уникальность данных ART-XC — телескоп регистрирует истинную форму кривой блеска события. Эта информация в том числе позволила нашим коллегам надежно оценить по данным детекторов «Конуса» истинный поток от гамма-всплеска. А именно это было основной проблемой для всех инструментов, наблюдавших данное событие».
В результате совместного анализа данных двух приборов удалось хорошо определить и другие параметры наиболее яркой, импульсной фазы гамма-всплеска, продолжавшейся около 600 секунд, и последовавшего за ней плавно затухающего спада излучения, который длился более 5 часов.
Распределение 315 «длинных» гамма-всплесков из выборки Конуса/Wind, до которых известны расстояния. По вертикали характерная энергия зарегистрированных фотонов. Слева по горизонтали полная энергия гамма-всплеска в эргах; справа по горизонтали пиковая светимость в эргах в секунду. Цветом обозначено красное смещение (можно представить как расстояние до гамма-всплеска). Звездочкой показана рекордная энергетика гамма-всплеска 221009A. Рисунок из статьи D. Frederiks et al. 2023 https://arxiv.org/abs/2302.13383
За начальным не очень высоким пиком (на графике он выражен в числе фотонов, полученных от источника) последовал спокойный период длительностью примерно 150 секунд. В это время излучение от этого объекта едва превышало фон. Затем темп счета резко повысился, и на графике появились четыре высоких пика. В максимуме скорость счета достигала почти двух миллионов фотонов в секунду. Более того, и энергия фотонов была исключительно высока. Длительность этого периода составила около 450 секунд. Затем интенсивность излучения стала постепенно спадать, детекторы «Конуса» могли наблюдать её ещё более 7 часов.
Сразу после события начались оперативные наблюдения поля этого гамма-всплеска на космических и наземных телескопах, в широком диапазоне электромагнитного излучения. Примерно через 53 минуты было обнаружено послесвечение в жестком рентгеновском и оптическом диапазонах — яркий оптический транзиент (объект с переменной яркостью), блеск которого быстро падал. Расстояние до него было оценено в примерно два миллиарда световых лет (около 745 мегапарсек), далеко за пределами нашей Галактики Млечный путь. Однако это расстояние не столь велико, если сравнивать с другими подобными событиями, поэтому GRB 221009A стал ещё и одним из самых близких к нам гамма-всплесков за всю историю наблюдений.
Сравнение характеристик GRB 221009A с другими событиями, зарегистрированными в эксперименте «Конус», показало, что они следуют зависимостям, характерным для так называемых «длинных» гамма-всплесков, что предполагает общую природу их источников и механизмов излучения. Считается, что такие всплески происходят в момент «схлопывания» ядра массивной звезды, исчерпавшей свое термоядерное горючее, в черную дыру. При этом образуются узкие струи вещества, разогнанного до околосветовых скоростей, — так называемые джеты, которые улетают в пространство, рождая при этом излучение в очень широком диапазоне энергий. В случае с GRB 221009A джет, вероятно, оказался очень узким, с раствором всего несколько градусов, но направленным почти точно на Землю — именно поэтому он оказался для земных наблюдателей столь мощным.
Анализ наиболее полной выборки гамма-всплесков показал уникальность GRB 221009A и на существенно больших масштабах времени.
«Хотя это может показаться небольшим преувеличением, но, вероятно, GRB 221009A был самым ярким всплеском рентгеновского и гамма-излучения, который произошел с момента возникновения человеческой цивилизации, — говорит Эрик Бернс (Eric Burns), доцент физики и астрономии в Университете штата Луизиана в Батон-Руж (США).
Он руководил анализом объединенной выборки из 7000 гамма-всплесков — обнаруженных в основном с помощью детекторов гамма-обсерватории Fermi (NASA) и российского прибора «Конус» на космическом аппарате Wind (NASA), — с целью установить, как часто могут происходить такие яркие события. По оценкам авторов данной работы, подобное событие может наблюдаться на Земле один раз в 10 000 лет.
Исключительно мощный и довольно близкий, GRB 221009A оказался настоящим «подарком» для астрофизиков, и не все особенности этого события пока удалось объяснить. В частности, на месте GRB 221009A пока не удалось достоверно зарегистрировать вспышку сверхновой, которую можно было бы ожидать при коллапсе звезды в черную дыру. Возможно, дело в том, что событие произошло в области с большим количеством пыли, которая хорошо поглощает излучение. Другое объяснение состоит в том, что сверхновой как явления могло и не быть, если все вещество звезды «упаковалось» в черную дыру.
Ещё одна странность — событие 9 октября 2022 г. довольно слабо проявило себя в радиодиапазоне, чего нельзя было ожидать, если судить по его интенсивности в гамма-лучах.
Интересно и то, как излучение от джета переотражается от пылевых облаков в нашей Галактике, создавая «световое эхо», свойства которого зависят от расстояния до облаков, размера пылинок и энергии самого излучения. Самое дальнее эхо в этот раз пришло от облака, находящегося на другом краю Млечного пути, примерно в 61 тысяче световых лет от Солнца.
Гамма-всплеск GRB221009A интересен сам по себе, но интересно и то, что благодаря ему очередной раз проявилась «мультифункциональность» телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского и показана важность многоволновых наблюдений разными инструментами.
«Задуманный для проведения обзора всего неба и наблюдений отдельных выбранных объектов, телескоп оказался замечательным инструментом для исследования разных высокоэнергичных событий — от солнечных вспышек до гамма-всплесков, — говорит Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН, член-корреспондент РАН, научный руководитель телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского. — В первую очередь, благодаря рентгеновским детекторам из теллурида кадмия, которые обладают высокой чувствительностью в широком диапазоне электромагнитного спектра. Не менее важной составляющей успеха проведенного исследования является использование данных сразу двух российских инструментов, работающих сейчас в космосе. У ИКИ РАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе налажено замечательное сотрудничество по изучению рентгеновского и гамма-неба, и я уверен, что впереди еще много совместных работ и открытий».
Статья сотрудников ИКИ РАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе с результатами исследования прошла рецензирование в журнале The Astrophysical Journal Letters, ее текст опубликован на сайте электронных препринтов arXiv.org.
Работа с данными прибора «Конус» поддержана грантом Российского научного фонда №21-12-00250.
Работа с данными телескопа ART-XC поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований N19-29-11029.
Результаты изучения уникального всплеска GRB 221009A с помощью различных космических и наземных инструментов были представлены 28 марта 2023 г. во время 20-й встречи отделения физики высоких энергий Американского астрономического общества (American Astronomical Society, AAS) на Гавайях, США, и будут опубликованы, как и статья по данным «Конуса» и ART-XC, в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters.
