NASA Fermi виявив унікальний пік енергії в спалаху гамма-випромінювання

Використовуючи дані космічного гамма-телескопа NASA Fermi, дослідники виявили унікальний пік енергії після найяскравішого спалаху гамма-випромінювання, який будь-коли спостерігався, що свідчить про анігіляцію електронів і позитронів. Це відкриття дозволяє по-новому зрозуміти поведінку космічних струменів і екстремальні умови, що виникають після таких спалахів.

У жовтні 2022 року астрономи були приголомшені тим, що швидко охрестили BOAT — найяскравішим гамма-спалахом усіх часів (GRB). Тепер міжнародна наукова група повідомляє, що дані космічного гамма-телескопа NASA Fermi виявляють особливість, яку ніколи раніше не бачили.

Виявлено безпрецедентну спектральну функцію

«Через кілька хвилин після вибуху BOAT монітор гамма-спалаху Фермі зафіксував незвичайний пік енергії, який привернув нашу увагу», — сказала провідний дослідник Марія Едвіге Равазіо з Університету Радбауд у Неймегені, Нідерланди, який пов’язаний з обсерваторією Брера, частиною INAF (Італійський національний інститут астрофізики) в Мерате, Італія. «Коли я вперше побачив цей сигнал, у мене побігли мурашки по шкірі. Наш аналіз з того часу показує, що це перша лінія випромінювання з високою достовірністю, яку коли-небудь бачили за 50 років вивчення гамма-всплесків».

Стаття про відкриття з’явилася у випуску журналу Science за 26 липня.

Коли речовина взаємодіє зі світлом, енергія може поглинатися та перевипромінюватися характерними способами. Ці взаємодії можуть зробити яскравішими або затемненими певні кольори (або енергії), утворюючи ключові особливості, видимі, коли світло розподіляється, як веселка, у спектрі. Ці особливості можуть розкрити величезну кількість інформації, наприклад хімічні елементи, що беруть участь у взаємодії. При вищих енергіях спектральні особливості можуть виявити конкретні процеси частинок, такі як анігіляція матерії та антиматерії з утворенням гамма-променів.

«У той час, як деякі попередні дослідження повідомляли про можливі докази особливостей поглинання та випромінювання в інших гамма-всплесках, подальше дослідження показало, що все це може бути просто статистичними коливаннями. Те, що ми бачимо в ЧОВНІ, відрізняється», – сказав співавтор Ом Шаран Салафія з обсерваторії INAF-Brera в Мілані, Італія. «Ми визначили, що ймовірність того, що ця функція є просто флуктуацією шуму, менша, ніж один шанс на пів мільярда».

Природа та вплив гамма-спалахів

GRB є найпотужнішими вибухами у космосі та випромінюють велику кількість гамма-променів, форми світла з найвищою енергією. Найпоширеніший тип виникає, коли ядро ​​масивної зірки вичерпує своє паливо, колапсує та утворює чорну діру, що швидко обертається . Матерія, що падає в чорну діру, приводить в дію протилежно спрямовані струмені частинок, які прориваються крізь зовнішні шари зірки зі швидкістю майже світла. Ми виявляємо GRB, коли один із цих струменів спрямований майже прямо на Землю.

BOAT, офіційно відомий як GRB 221009A, вибухнув 9 жовтня 2022 року та миттєво наситив більшість детекторів гамма-випромінювання на орбіті, включно з детекторами на Фермі. Це завадило їм виміряти найінтенсивнішу частину вибуху. Реконструйовані спостереження в поєднанні зі статистичними аргументами свідчать про те, що BOAT, якщо це частина тієї ж популяції, що й раніше виявлені гамма-всплески, був, ймовірно, найяскравішим спалахом у небі Землі за 10 000 років.

Уявлення про космічні взаємодії частинок

Передбачувана лінія випромінювання з’являється майже через 5 хвилин після того, як було виявлено спалах, і значно після того, як вона стала настільки тьмяною, щоб припинити ефект насичення для Фермі. Лінія зберігалася щонайменше 40 секунд, і випромінювання досягло пікової енергії близько 12 МеВ (мільйонів електронвольт). Для порівняння, енергія видимого світла коливається від 2 до 3 електронвольт.

Отже, що породило цю спектральну особливість? Команда вважає, що найбільш вірогідним джерелом є анігіляція електронів та їхніх аналогів антиматерії, позитронів.

«Коли електрон і позитрон стикаються, вони анігілюють, утворюючи пару гамма-променів з енергією 0,511 МеВ», — сказав співавтор Гор Оганесян з Наукового інституту Гран-Сассо та Національної лабораторії Гран-Сассо в Л’Аквілі, Італія. «Оскільки ми дивимося в струмінь, де речовина рухається зі швидкістю, близькою до світла, це випромінювання сильно зміщується в блакитний колір і підштовхується до набагато вищих енергій».

Майбутні напрямки досліджень і співпраця

Якщо ця інтерпретація правильна, щоб отримати емісійну лінію з піком 12 МеВ, анігілюючі частинки повинні були рухатися до нас зі швидкістю приблизно 99,9% швидкості світла.

«Після десятиліть вивчення цих неймовірних космічних вибухів ми все ще не розуміємо подробиць роботи цих реактивних струменів», — зазначила Елізабет Хейз, науковий співробітник проекту Фермі в Центрі космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд. «Пошук таких підказок, як ця чудова емісійна лінія, допоможе вченим глибше дослідити це екстремальне середовище».

Космічний гамма-телескоп Фермі — це партнерство в галузі астрофізики та фізики елементарних частинок, яким керує Годдард. Fermi було розроблено у співпраці з Міністерством енергетики США за участі наукових установ і партнерів із Франції, Німеччини, Італії, Японії, Швеції та Сполучених Штатів.