Установка «Ковер-2» Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) зарегистрировала самый высокоэнергетический фотон в истории наблюдений космических гамма-всплесков. Это должно привести к революционным изменениям либо в физике частиц, либо в астрономии.
Гамма-всплеск – это очень энергичное и заканчивающееся в течение нескольких минут (в крайнем случае, до нескольких часов) событие, связанное со смертью массивных звезд, наподобие вспышки сверхновой, только еще более интенсивное и мощное. Предполагалось даже, что такое событие в нашей галактике привело к вымиранию динозавров, однако сейчас большинство исследователей считает, что это не так. Хотя гамма-всплески регистрируются практически каждый день (есть специальные телескопы, которые мониторят космическое излучение в гамма- или рентгеновском диапазоне), в данном случае речь идет о регистрации фотонов самой высокой энергии для события, случившегося не в нашей галактике.
Сначала эту вспышку зарегистрировала орбитальная обсерватория NASA Fermi. Этот всплеск оказался самым энергичным за всю историю наблюдений этим инструментом, с 2008 года – был зарегистрирован фотон самой большой энергии, 99 ГэВ (почти 0,1 ТэВ). Потом китайский эксперимент LHAASO, нацеленный на регистрацию частиц высокой энергии, опубликовал сообщение о том, что зафиксирован ряд фотонов с энергиями до 18 ТэВ от этой вспышки. Вслед за этим установка «Ковер-2», расположенная на Северном Кавказе в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, зафиксировала фотон с энергией 251 ТэВ. Гамма-всплески происходят в далеких галактиках, если бы такое событие случилось в нашей галактике, это имело бы очень негативный эффект для всего живого.
Почему это интересно (открытие «Ковра-2» уже было названо революционным, например, в появившейся статье итальянских теоретиков https://arxiv.org/abs/2210.05659)? Расстояние до гамма-всплеска, полученное с помощью спектральных наблюдений на самых крупных оптических телескопах мира, составляет около двух миллиардов световых лет. Согласно современным представлениям, фотоны высоких энергий – и наблюдавшиеся LHAASO 18-ТэВные, и рекордный 251-ТэВный фотон «Ковра-2» – не могут долететь до нас с такого расстояния. Взаимодействуя с пронизывающим Вселенную реликтовым излучением, со светом звезд и галактик, такие фотоны рождают электрон-позитронные пары. Фотон с энергией в 251 ТэВ не долетит даже от соседней галактики Андромеды. Значит, если «Ковер-2» и LHAASO действительно наблюдали такой далекий источник, что-то придется менять в самых основных законах физики частиц. Например, предлагалось введение новых частиц – аксионов, которые могли бы «законсервировать» фотон вблизи источника и высветить его обратно в магнитном поле нашей галактики. Еще более радикальное предположение - о нарушении законов специальной теории относительности, которое могло бы привести к подавлению взаимодействий фотонов при таких энергиях. Пока неясно, смогут ли даже такие фантастические сценарии помочь объяснить результаты наблюдений случившегося на днях гамма-всплеска.
Либо, что тоже возможно, астрономы ошиблись и приняли за далекий гамма-всплеск какой-то взрывной процесс в нашей галактике на расстояниях "всего лишь" в десятки тысяч световых лет, а не в миллиарды. В пользу этого предположения говорит то, что на небе вспышка попадает в область Млечного пути, где сконцентрирована основная масса звезд и других астрофизических объектов нашей галактики. Однако в этом случае загадка из области физики частиц перемещается в область астрономии – что за удивительный объект вспыхнул в галактике и как ему удалось «притвориться» далеким гамма-всплеском? И в том, и в другом случае революционные открытия должны случиться - либо в физике элементарных частиц, либо в астрономии! Вероятно, мы еще услышим о продолжении этой истории. Сейчас сотни ученых по всему миру думают, как объяснить подобные космические явления.
«Я думаю, что речь идет о внутригалактическом источнике, только непонятно, каком: вспышка пришла из области Млечного пути, где расположено сразу много ярких объектов нашей галактики. Это может быть какая-то фантастическая вспышка магнетара. Если бы такие фотоны прилетели во время наблюдения LHAASO, было бы больше информации, но самый яркий фотон пришел спустя полтора часа после начала вспышки, когда Земля уже повернулась так, что «Ковру-2» было удобнее их наблюдать. Вот почему иногда ученым оказывается очень полезно иметь пусть и относительно небольшие установки, как «Ковер-2», но разнесенные по географической долготе», – говорит Сергей Троицкий, главный научный сотрудник ИЯИ РАН, чл.-корр. РАН.
«У этого всплеска интересная кривая блеска. Сначала произошел всплеск нормальной интенсивности продолжительностью несколько секунд. Затем двести секунд ничего не происходило, а потом пошел экстраординарный поток гамма-квантов в виде пиков и провалов кривой блеска, и это продолжалось еще секунд 400. Такое случалось и раньше, только при более низкой интенсивности и нечасто. Как объяснить подобную кривую блеска, никто не знает. Это тот поток, что пришел в мягких гамма-квантах, а потом начался постепенно спадающий поток частиц в других диапазонах (так называемое послесвечение), включая высокие энергии.
И китайские фотоны с энергией 18 ТэВ, и российский 251 ТэВ парадоксальны тем, что гамма-кванты такой энергии поглощаются по пути, реагируя с инфракрасным межгалактическим фоном. За истекшие 4 дня уже появились статьи, пытающиеся объяснить феномен новой физикой, например, аксионами. Но я не думаю, что в этом есть такая уж необходимость. Возможно, найдется и более стандартное объяснение», – отметил Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Лаборатории исследования редких процессов ИЯИ РАН.
Установка «Ковер-2» расположена в наземной части кампуса Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН и регистрирует каскады заряженных частиц, рождающихся в результате взаимодействия высокоэнергичного излучения в атмосфере Земли. Чтобы определить тип частицы, вызвавшей каскад, используется детектор мюонов площадью 175 кв. м – в отличие от гораздо более многочисленных космических лучей, фотоны вызывают ливни, в которых мюонов мало. Событие, связанное со вспышкой 9 октября, не дало ни одного мюона во всем детекторе, поэтому с большой вероятностью было вызвано фотоном. Такие события случаются редко, и, как отмечает коллектив “Ковра-2” (а это 22 ученых и инженера, все работают в ИЯИ РАН) в астрономической телеграмме о своем открытии (https://www.astronomerstelegram.org/?read=15669), вероятность случайного совпадения такого события с гамма-всплеском составляет порядка одной десятитысячной.
Таким образом, данная космическая вспышка еще ждет своих исследователей, физиков-теоретиков, которые объяснят, каков источник фотонов с такой высокой энергией и как им удалось долететь через пол-Вселенной до Приэльбрусья.
Автор: Ирина Усик
Заглавное изображение: Художественная иллюстрация гамма-всплеска (NASA/Zhang & Woosley)
