Ученые раскрывают загадочные свойства гамма-всплесков

Гамма-всплески – одни из самых ярких и энергичных явлений, наблюдаемых астрономами. Всего за несколько секунд такой всплеск способен высвободить количество энергии, превышающее излучение нашего Солнца за миллиарды лет существования. Учёные предполагают, что столь колоссальная мощь гамма-всплесков обусловлена катастрофическими событиями во Вселенной – вспышками сверхновых, слиянием нейтронных звёзд или излучением молодых чёрных дыр.

Однако точные причины и механизмы запуска этих загадочных явлений до сих пор остаются нераскрытыми тайнами современной астрофизики. В попытке пролить свет на природу гамма-всплесков группа исследователей из Университета Алабамы в Хантсвилле под руководством Джона Хаккилы изучила изменения их светимости с течением времени.

«Несмотря на то, что механизмы, с помощью которых происходят гамма-всплески, изучаются уже более пятидесяти лет, они до сих пор остаются загадкой. Понимание гамма-всплесков помогает нам постичь некоторые из самых быстрых и мощных процессов. Всплески настолько яркие, что их можно зарегистрировать в любой точке Вселенной, и, поскольку излучение распространяется с конечной скоростью, они позволяют нам заглянуть в самые ранние эпохи существования звёзд», — отмечает Хаккила.

Главная трудность в изучении гамма-всплесков заключается в том, что современные теоретические модели не могут объяснить поведение их кривых блеска — графиков, отражающих изменение интенсивности излучения со временем. Более того, не существует двух идентичных кривых блеска, а продолжительность самих всплесков может варьироваться от долей секунды до десятков минут.

Команда Хаккилы смоделировала гамма-всплески как серию энергетических импульсов, считая их основными «строительными блоками» этих вспышек. «Они указывают моменты, когда гамма-всплеск становится ярче, а затем затухает, — поясняет учёный, — Во время излучения импульса гамма-всплеска он претерпевает изменения яркости, которые иногда могут происходить в очень коротких временных масштабах. Странность в этих вариациях заключается в том, что они обратимы, точно так же как слова-палиндромы».

Хаккила добавляет, что подобная обратимость представляется крайне загадочной, поскольку, в отличие от букв в слове, время течёт строго в одном направлении. «Механизм импульса гамма-всплеска, каким-то образом создаёт шаблон яркости, а затем воспроизводит тот же самый шаблон в обратном порядке. Это довольно странно и делает гамма-всплески уникальными явлениями», — объясняет он.

Исследователи сосредоточились на моделировании гамма-всплесков, возникающих при выбросе струй частиц, движущихся с околосветовыми, или «релятивистскими», скоростями из формирующихся чёрных дыр. «В этих моделях ядро умирающей массивной звезды коллапсирует, образуя чёрную дыру, а материал, падающий в неё, перенаправляется наружу по двум противоположным струям. Материал, движущийся в нашу сторону, выбрасывается почти со скоростью света», — описывает Хаккила.

Результаты новых исследований приблизили учёных к пониманию фундаментальных процессов, лежащих в основе гамма-всплесков.

«Поскольку гамма-всплеск является относительно кратковременным явлением, традиционно считалось, что джет остаётся строго направленным на наблюдателя на протяжении всего события. Однако особенности обратимых по времени импульсов крайне сложно объяснить, если они возникают внутри неподвижной струи», — продолжает Хаккила.

Чтобы разрешить загадку палиндромной природы кривых блеска гамма-всплесков, учёные предложили модель, в которой релятивистские струи, вырывающиеся из молодых чёрных дыр, совершают боковые движения.

«Идея о поперечном движении струи обеспечивает простое решение, позволяющее объяснить обратимую по времени структуру импульсов гамма-всплесков. Когда струя пересекает линию наблюдения, мы сначала увидим свет от одного её края, затем от центра и, наконец, от противоположного края. Струя станет ярче, когда её центр пересечет линию визирования, а затем потускнеет, причем радиально-симметричная структура вокруг ядра будет наблюдаться в обратном порядке», — поясняет исследователь.

По словам Хаккилы, в рамках этой модели релятивистские струи чёрных дыр рассеивают вещество подобно тому, как из брандспойта разбрызгивается вода. Поскольку струи ведут себя как жидкость, а не твёрдое тело, наблюдатель увидит их изогнутыми, а не прямыми линиями. 

«Движение заставляет излучение из разных участков джета достигать нас в разное время, и это можно использовать для лучшего понимания механизма генерации излучения, а также в качестве «лаборатории» для изучения эффектов специальной теории относительности», — заключает Хаккила.

Таким образом, введя в свои модели боковое движение релятивистских струй, учёные приблизились к разгадке одной из самых больших тайн гамма-всплесков — их обратимой по времени природы. Дальнейшие исследования должны пролить свет на фундаментальные процессы, лежащие в основе этих космических катаклизмов.