У меня есть телескоп, направленный на самую яркую сверхновую из когда-либо замеченных — Ars Technica

Сверхновые — одни из самых энергичных явлений во Вселенной. Подгруппа из них включает всплески гамма-излучения, когда большая часть излучаемой энергии исходит от фотонов чрезвычайно высокой энергии. Мы думаем, что знаем, почему это обычно происходит — черная дыра, оставшаяся после взрыва, выбрасывает струи вещества почти со скоростью света. Но детали того, как и где эти струи производят фотоны, далеко не полностью проработаны.

К сожалению, эти события происходят слишком быстро и слишком далеко, поэтому получить подробные записи о них непросто. Однако недавний гамма-всплеск, получивший название BOAT (Самый яркий из когда-либо зарегистрированных), может предоставить нам новую информацию о событиях, произошедших в течение нескольких дней после взрыва сверхновой. В новой статье описываются данные телескопа, который указывал в правильном направлении и был чувствителен к чрезвычайно высокоэнергетическому излучению этого события.

Мне нужно принять душ

Вышеупомянутый «телескоп» Большая высотная обсерватория с воздушным душем (ЛХААСО). Расположенная в трех милях (4400 метров) над уровнем моря обсерватория представляет собой набор инструментов, который не является телескопом в традиционном смысле этого слова. Вместо этого предполагается улавливать воздушные ливни — сложную цепочку обломков и фотонов, возникающих при столкновении высокоэнергетических частиц из космоса с атмосферой.

Хотя детекторы воздушного ливня ограничены по сравнению с обычными телескопами, они все же имеют некоторые преимущества в отношении таких событий, как BOAT. У них очень широкое поле зрения, потому что им нужно не столько фокусироваться на событии, сколько реконструировать его на основе фотонов и частиц, достигающих поверхности Земли. Они чувствительны только к высокоэнергетическим событиям, что означает, что дневной свет слишком низкоэнергетический, чтобы вмешиваться, поэтому они могут работать круглосуточно.

Поскольку LHAASO собирал данные, когда вспыхнула сверхновая BOAT, его детекторы не только зафиксировали начало события, но и смогли проследить его развитие в течение нескольких дней после этого. Несмотря на плохое пространственное разрешение, было огромное количество данных, разделенных по длинам волн. За первые 100 минут было обнаружено более 64 000 фотонов с энергиями более 200 ГэВ. Для контекста, преобразование всей массы протона в энергию дает чуть меньше одного ГэВ.

Одной из первых очевидных вещей было то, что существует огромная разница между фотонами с более низкими (но все же очень высокими!) энергиями и фотонами с крайними концами электромагнитного спектра. Данные для фотонов выше ТэВ плавно менялись с течением времени, в то время как для фотонов в мегаэлектронвольтном диапазоне колебались вверх и вниз.

Понимание данных

Исследователи предполагают, что эти данные согласуются с предположением о том, что низкоэнергетические события вызываются джетами, взаимодействующими с турбулентными обломками сверхновой. Поскольку этот мусор будет сложным и расположенным близко к источнику струй, это ограничит количество космических частиц в струях, которые должны ускоряться, тем самым ограничивая их энергию.

Напротив, фотоны с более высокой энергией производятся в областях, где джеты соскребли обломки сверхновой и начали взаимодействовать с веществом, составляющим окружение звезды — частицами, вероятно, бомбардируемыми звездным эквивалентом солнечного ветра. Это более разреженная и однородная среда, позволяющая струям проходить менее турбулентный путь для ускорения частиц до экстремальных энергий, необходимых для производства фотонов с энергиями выше ТэВ.

Хотя пройти мимо осколков сверхновой кажется трудным, процесс происходит очень быстро, потому что джеты разгоняют частицы почти до скорости света. Таким образом, требуется всего около пяти секунд, чтобы увидеть быстрое увеличение фотонов ТэВ в данных.

Оттуда начинается более плавный спуск, который длится около 13 секунд. Исследовательская группа, стоящая за работой, предполагает, что это связано с взаимодействием джетов и ускорением частиц в окружающей среде за пределами остатка звезды. Это увеличивает количество высокоэнергетических фотонов, но в то же время отнимает часть энергии у струй, когда они сталкиваются с большей кучкой материала по мере продвижения через окружающую среду.

В конце концов, это накопление материала потребляет достаточно энергии, чтобы количество высокоэнергетических фотонов начало постепенно уменьшаться. Это падение достаточно медленное, оно длится около 11 минут или около того.

В случае сверхновой BOAT за этим последовало резкое падение фотонов высоких энергий. Считается, что это вызвано тем, что струи становятся шире по мере удаления от своего источника, что означает, что лодка была такой же яркой, как мы ее наблюдали, потому что центральная часть ее струи была направлена ​​прямо на землю. Время этого снижения также дает некоторую информацию о том, насколько широк самолет в это время.

Нам еще многое предстоит узнать об этих событиях — например, мы до сих пор не уверены, как черные дыры выбрасывают струи материала. Но такого рода подробные наблюдения могут дать нам лучшее представление о времени и динамике формирования струй, что в конечном итоге поможет создать модели того, что происходит во время образования черных дыр и струй.

Наука, 2023. DOI: 10.1126/наука.adg9328 (о DOI).