Как образуется излучение гамма-всплесков

Гамма-всплески (GRB) — это мощные выбросы гамма-излучения, которые за считанные секунды могут выделить больше энергии, чем Солнце произведет за всю свою жизнь, составляющую около десяти миллиардов лет. Эти кратковременные и чрезвычайно яркие явления остаются одной из наиболее загадочных областей астрофизики с момента их случайного обнаружения в 1967 году на спутнике, предназначенном для мониторинга ядерных взрывов.

Несмотря на десятилетия исследований, процессы, отвечающие за формирование света гамма-всплесков, по-прежнему не полностью раскрыты. Разгадка этих явлений позволяет глубже понять самые экстремальные способы, которыми природа создает свет. Уникальная яркость всплесков делает их видимыми практически из любой точки Вселенной, а благодаря конечной скорости распространения света они дают нам возможность заглянуть в эпоху первых звезд.

Одной из главных сложностей в изучении гамма-всплесков является отсутствие единого объяснения их характеристик и формы световой кривой. В астрофизике световая кривая представляет собой график, показывающий, как изменяется интенсивность света небесного объекта со временем. Анализ этих кривых помогает выявить физические процессы, ответственные за возникновение всплесков, и уточнить теоретические модели. Однако каждая световая кривая GRB уникальна: продолжительность излучения может варьироваться от долей секунды до нескольких минут, а форма кривой включает в себя серию интенсивных импульсов.

Импульсы являются основными элементами гамма-всплесков. Они отражают моменты, когда всплеск достигает максимальной яркости, а затем ослабевает. Во время импульсов яркость может меняться с удивительной скоростью, иногда в течение долей секунды. Уникальность этих изменений заключается в их обратимости, подобной свойствам палиндромов, таких как слова «ротатор» или «каяк». Вопрос, как такой процесс может происходить в природе, остается открытым, так как время, по общему представлению, необратимо. Тем не менее механизм, создающий свет в импульсах, каким-то образом воспроизводит яркостной шаблон сначала в одном направлении, а затем — в обратном. Это делает гамма-всплески поистине уникальными явлениями.

Принято считать, что гамма-всплески формируются в релятивистских струях — мощных потоках вещества и излучения, которые выбрасываются новообразованными черными дырами. В рамках этой модели ядро массивной звезды, переживающей коллапс, образует черную дыру. Материя, падающая в черную дыру, частично выбрасывается наружу в виде двух противоположно направленных струй, которые движутся практически со скоростью света. Излучение наблюдается только в том случае, если струя направлена в сторону Земли.

Однако обратимая структура импульсов вызывает сложности в объяснении, если предполагать, что источник излучения неподвижен. Добавление поперечного движения струи предлагает возможное решение этой загадки. Если струя перемещается в поперечном направлении относительно линии взгляда наблюдателя, становится возможным объяснить симметричность импульсов. В этом случае сначала виден свет, исходящий с одной стороны струи, затем — из её центра, а позже — с противоположной стороны. В результате яркость постепенно возрастает, достигает пика и затем ослабевает, повторяя структуру в обратном порядке.

Быстрое расширение струи в сочетании с её поперечным движением позволяет более детально исследовать внутренние процессы, формирующие гамма-всплески.

Струи, по всей видимости, действуют по принципу сопел — аналогично тому, как пожарный шланг распыляет воду. Они ведут себя скорее как жидкость, чем как твердый объект, и наблюдатель, способный увидеть всю струю целиком, отметил бы её изогнутую форму. Движение сопла приводит к тому, что свет от разных частей струи достигает наблюдателя в разное время. Это не только позволяет лучше понять механизмы образования света, но и служит природной лабораторией для изучения эффектов специальной теории относительности.