Queue clignotante: sursauts gamma

Dans les années 1960, les États-Unis ont envoyé dans l'espace plusieurs satellites spécialisés de la famille Vela, conçus pour détecter les particules élémentaires et les photons à très haute énergie. Bien que ces satellites n'aient rien à voir avec l'astronomie (ils étaient supposés suivre les essais nucléaires soviétiques pour le Pentagone de l'autre côté de la lune), ils ont été les pionniers d'un phénomène astronomique extrêmement intéressant - les sursauts gamma.


En 2010, Fermi a découvert deux «bulles» géantes au centre de la Voie lactée, sources du rayonnement gamma. L'une des raisons peut être les jets lancés par un trou noir géant au centre de la galaxie - mais ceci n'est qu'une hypothèse.

En mars 1969, des employés d'un petit groupe scientifique de Los Alamos, qui traitait des informations de l'espace, ont remarqué qu'un couple de satellites jumeaux de la série Vela-4 avait enregistré en 1967 deux impulsions courtes de rayonnement gamma, impossibles à attribuer à une explosion de supernova. ni les éruptions solaires, ni les essais nucléaires soviétiques. À l'été 1973, les satellites de pointe de la série Vela-5 avaient déjà suivi 16 de ces épidémies. Les pionniers du mystérieux phénomène, Ray Klibsadel et Roy Olson, ainsi que Ian Strong, qui a collaboré avec eux, ont rapporté cette découverte dans les pages du Astrophysical Journal Letters. Une courte note a jeté les bases d'une nouvelle direction scientifique - l'étude des sursauts gamma cosmiques, les sursauts gamma cosmiques (GRB, dans la littérature russe, ils sont aussi appelés sursauts gamma et jaspe gamma, bien que ce dernier terme soit rarement utilisé à présent).

Collecte d'informations

Les informations sur les sursauts gamma se sont accumulées lentement. Au début, seules des impulsions d’une durée de 10 à 30 secondes, composées de rayons gamma avec un petit mélange de rayons X, ont été détectées. Au fil du temps, il a été constaté qu'environ 30% de toutes les rafales duraient moins de deux secondes et que leur durée moyenne n'était que de 300 millisecondes. Ces impulsions se distinguent par une plus grande rigidité du rayonnement gamma (en d'autres termes, par la présence de rayons gamma plus énergétiques), toutefois, en termes de luminosité totale, elles sont inférieures à des durées plus longues. Ces éclats ont commencé à être appelés courts, et tous les autres (parfois s'étendant sur des dizaines de minutes) - longs. Il n'y a pas si longtemps, de très courtes rafales de rayons gamma d'une durée inférieure à 100 millisecondes étaient attribuées en tant que classe indépendante.

La détection des sursauts gamma n'est pas la seule tâche du télescope spatial Fermi. La cartographie gamma du ciel, réalisée à l'aide de ses outils, a révélé plusieurs sources de rayonnement gamma "non identifiées". Plus tard, ils ont été identifiés comme étant 17 nouveaux pulsars (sur la carte, ils sont indiqués par des cercles, une bande horizontale brillante est notre voie lactée).

Actuellement, des données ont été collectées sur plusieurs milliers de sursauts gamma de différents types. Environ la moitié des informations ont été reçues par le système de détection BATSE (Burst and Transient Source Experiment), embarqué à bord de l’observatoire spatial américain Compton, lancé en avril 1991 et mis en orbite en juin 2000. Cet appareil à lui seul a enregistré 2704 sursauts gamma, environ une par jour. Leurs sources non seulement n'étaient pas concentrées dans le plan de notre galaxie, mais, au contraire, étaient uniformément réparties dans toute la sphère céleste (l'expérience spatiale soviétique "Cone" a révélé cette tendance à la fin des années 1970). Par conséquent, dans les années 90, on a renforcé l'opinion selon laquelle les sursauts gamma se produisent à des distances de plusieurs millions voire des milliards d'années-lumière de la Terre (ces distances sont appelées cosmologiques). Il s'ensuivit que la génération d'explosions nécessitait une énergie fantastique, ce qui est tout à fait comparable à celle qui serait libérée lorsque les corps célestes de taille décente seraient complètement annihilés.

La confirmation de cette hypothèse a dû attendre quelques années supplémentaires. Le problème était que huit détecteurs du complexe BATSE localisaient très approximativement l'emplacement des éruptions sur la sphère céleste, avec une précision de un à dix degrés (c'est-à-dire de 2 à 20 diamètres angulaires de la pleine lune). Les coordonnées de près d’une centaine de foyers ont été déterminées avec moins d’erreurs, mais sans être trop précises. Par conséquent, pendant longtemps, il n’a pas été possible d’attacher des sursauts gamma à des sources spécifiques de lumière visible, dont la distance pouvait être mesurée par le décalage vers le rouge des raies spectrales.

L'un des modèles de sursauts gamma longs est associé à des collapsars - des étoiles massives (plus de 20 masses solaires) dépourvues de coquille d'hydrogène. Le noyau d'une telle étoile s'effondre en un trou noir qui aspire la matière du disque d'accrétion et éjecte des jets relativistes le long de l'axe de rotation - jets de matière dispersés à des vitesses proches de la lumière. En perforant la coquille d'une étoile, les jets génèrent un puissant rayonnement gamma concentré dans un cône étroit.

Snap to the sky

Une équipe de scientifiques dirigée par l'astronome néerlandais Jan van Paradeis a franchi la première étape pour surmonter cette incertitude il y a 14 ans. Les scientifiques ont travaillé avec des données obtenues de l'observatoire orbital italo-néerlandais BeppoSAX, qui était principalement destiné à la recherche dans le domaine des rayons X mais était équipé d'un détecteur de rayons gamma à longue longueur d'onde avec des énergies de 60 à 600 keV (cette région est parfois désignée par la limite supérieure du spectre). .

Le 28 février 1997, BeppoSAX a enregistré le GRB 970228, une rafale de rayons gamma de 80 secondes, qui est passée à l'historique (les deux premiers chiffres désignent l'année, les deuxièmes chiffres désignent le mois, les troisièmes chiffres). L'erreur dans la détermination des coordonnées angulaires cette fois ne dépassait pas une minute angulaire, et juste dans cette partie du ciel, un objet extrêmement sombre fut détecté, ce qui pouvait être distingué par des télescopes optiques. Certes, sa distance n’était déterminée que de manière approximative, mais ce n’était que le début. Les 8 mai et 14 décembre, BeppoSAX a conduit les scientifiques à deux autres longues rafales de rayons gamma avec des équivalents optiques, qui étaient sans aucun doute séparés du Soleil par des distances cosmologiques (cette dernière, pouvant atteindre 12 milliards d'années-lumière!).


Suite du banquet

Les sursauts gamma longs et courts ont un prolongement de la longueur d'onde longue - ce qu'on appelle la post-luminescence. Après l’impulsion gamma initiale, il s’ensuit invariablement un flux de rayons X de plusieurs jours. Il va dans l'ultraviolet, puis dans la lumière visible, dans le rayonnement infrarouge et enfin dans les ondes radio qui peuvent être enregistrées pendant des semaines et des mois (bien que la moitié des pousses de rayons gamma observées n'aient pas de queue optique - tout simplement parce qu'elles se rendent sur Terre la poussière cosmique les absorbe). Bogdan Pachinsky et James Roads avaient prédit ce phénomène en 1993. De longues rafales, il a été trouvé lors du suivi de GRB 970228 et de courtes rafales a été observé pour la première fois en 2005. On pense que la rémanence résulte d'ondes de choc ultrarelativistes (c'est-à-dire se propageant presque à la vitesse de la lumière) dans le gaz interstellaire entourant la source de la survenue des rayons gamma. La substance qui porte les ondes de choc est progressivement refroidie et émet des photons d'énergies inférieures et inférieures. Les détails de ce mécanisme restent à voir.

Mais c'étaient encore des fleurs. Le 12 janvier 1999, BATSE a enregistré une rafale d’une minute et demie, dont la source a été rapidement localisée à l’aide du nouveau télescope robotique ROTSE 1 installé sur le territoire du laboratoire national de Los Alamos. Le télescope a détecté un flash léger d'une durée supérieure à une minute dans la direction indiquée. On pouvait le constater à l'œil nu, s'il n'était que dix fois plus brillant, bien que nous soyons séparés de la source par 9 milliards d'années-lumière. Dans la gamme gamma, cette rafale a rejeté environ 4 × 1054 erg (1 erg = 10–7 J) - en supposant toutefois qu’elle brillait de manière uniforme dans toutes les directions. Une telle estimation de l'énergie totale de radiation s'appelle l'équivalent isotrope et, dans ce cas, elle s'est avérée égale à l'énergie qui serait libérée si l'étoile était complètement annihilée deux fois plus lourde que le Soleil! Bien sûr, si le rayonnement était éjecté dans un cône étroit, beaucoup moins d'énergie suffirait, et une telle interprétation finit par être généralement acceptée. Quoi qu’il en soit, tous les doutes ont maintenant disparu: les sursauts gamma sont générés par des cataclysmes cosmiques d’une puissance phénoménale.

Yeux cosmiques

Récemment, les possibilités de l'astronomie gamma se sont étendues grâce aux derniers observatoires spatiaux équipés non seulement de détecteurs gamma, mais également de télescopes fonctionnant sur des longueurs d'onde plus longues. Par conséquent, il est devenu possible de suivre rapidement les sursauts gamma même sans la participation d'équipements au sol.

Le premier de ces observatoires a été l'astro-satellite américain HETE-2 (Explorateur de transitoires à haute énergie), fonctionnant de 2000 à 2006. Il a déterminé la position des sursauts gamma avec une précision de dix secondes d'arc et a fait de nombreuses découvertes. Ainsi, il découvre un éclat de 25 secondes de GRB 030329, qu’il réussit à associer à la supernova SN 2003 dh, qui s’éclaire à 2 milliards d’années-lumière du Soleil. Ce fut la première démonstration fiable que des sursauts gamma accompagnaient les explosions de supernova. La preuve la plus ancienne de ce phénomène a été obtenue en observant une rafale de GRB 980425 de 30 secondes, mais le degré de confiance dans cette affaire était bien moindre.

HETE-2 a été suivi par l'observatoire international Swift, qui fonctionne encore à ce jour et qui a été lancé en orbite terrestre basse le 29 novembre 2004. Ce détecteur est équipé d’un détecteur de rayons gamma à grande longueur d’onde avec une énergie de 15 à 150 keV, ainsi que de télescopes - rayons X et optiques. Ces appareils enregistrent la survenue de sursauts de sursauts gamma et déterminent leurs coordonnées avec une précision extrême - jusqu'à dixièmes de seconde d'arc. En mai 2010, Swift avait capté plus de 500 sursauts gamma, dont plus de la moitié avec une réverbération optique. L’un d’eux était le premier coup court avec une queue claire, enregistré le 9 mai 2005. Sur la base de cette observation, la distance à la source a été déterminée et il a été prouvé que de courtes rafales apparaissent également à des distances cosmologiques du Soleil. Le 19 mars 2008, Swift remarqua une explosion accompagnée d'un flash de lumière visible si brillant qu'il était visible pendant 30 secondes sans optique, alors que la distance qui le séparait de la source était de 7, 5 milliards d'années-lumière! Le 23 avril 2009, Swift a repéré un sursaut de rayons gamma de 10 secondes avec un record de redshift record de 8, 2, soit seulement 630 millions d'années de moins que l'ère Big Bang.

Ces dernières années, le télescope gamma spatial Fermi, lancé dans l'espace le 11 juin 2008, a largement contribué à l'étude des sursauts gamma. Cet observatoire est équipé d'un récepteur de rayons gamma avec 14 détecteurs à cristal qui suivent des quanta d'énergies comprises entre 8 keV - 1 MeV et 150 keV - 30 MeV. L’instrument principal de l’observatoire, le télescope à grande surface (LAT), vous permet de capturer des rayons gamma d’énergies particulièrement élevées - jusqu’à 300 GeV. Le 16 septembre 2008, cet observatoire a enregistré un sursaut gamma avec le plus grand équivalent d'énergie isotrope de 8, 8 x 1054 erg, ce qui correspond à l'annihilation complète d'environ cinq masses solaires.

L'un des principaux instruments de l'observatoire de Fermi est le télescope à rayons gamma LAT (Large Area Telescope). Le LAT est constitué de 16 ensembles de détecteurs à semi-conducteurs et de calorimètres à l'iodure de césium, couverts par 89 détecteurs en polymère anti-coïncidence. Le système de traitement prend en compte les signaux, puis détermine la direction et l’énergie des rayons gamma.

Interprétation des données

Les nouvelles observations ont considérablement élargi nos connaissances sur les sursauts gamma. L’Observatoire de Swift a accumulé une riche archive d’informations sur le redshift de la réverbération optique des sursauts gamma, ce qui nous permet d’estimer la distance qui les sépare de leurs sources. «Nous collectons maintenant des informations sur les galaxies les plus souvent affectées par des sources explosives», explique la «PM» Chrissa Kouveliotiot du Space Flight Center de la NASA. Marshall, qui a introduit pour la première fois la classification des sursauts gamma en courte et longue durée. - Selon des données préliminaires, il y a moins d'éléments plus lourds que l'hélium dans notre galaxie et, par conséquent, ils sont apparus à des stades plus précoces de l'évolution de l'Univers. Nous essayons également de comprendre si le rayonnement gamma peut être utilisé pour rayonner dans l'espace. Si cela réussit, il sera possible d'obtenir des informations supplémentaires sur la distribution de la matière dans l'univers. Les observatoires spatiaux automatiques permettent de mieux identifier la relation entre une explosion et une explosion de supernova et d'améliorer les modèles théoriques d'apparition de sursauts gamma de différents types. En général, les experts s'accordent pour dire que de longues rafales apparaissent lors de l'effondrement gravitationnel d'étoiles géantes et que de courtes rafales apparaissent lorsque des étoiles à neutrons se rencontrent et se confondent. Mais il y a beaucoup de nuances qui doivent être clarifiées. Par exemple, nous ne savons pas encore pourquoi le rayonnement de sursauts gamma courts est parfois uniformément diffusé dans toutes les directions et se concentre parfois dans un cône large avec un angle de solution d'au moins 30 °. Au contraire, l’émission de longues rafales ressort à travers des cônes étroits avec une solution typique de 5 à 10 °, ce qui est tout à fait conforme au modèle de la mort des étoiles à collapsar. "

Le télescope spatial Fermi a enregistré deux douzaines de sursauts gamma avec des énergies de photons supérieures à 15 GeV. Il s’agit là d’une réalisation très sérieuse, car les observatoires précédents n’avaient jamais signalé de sursauts avec des énergies quantiques supérieures à 2 MeV. "Ces informations sont d'un grand intérêt pour la physique fondamentale et la cosmologie", a déclaré Lynn Kominski, professeur et doyenne du département de physique et d'astronomie de l'Université de Californie, comté de Sonoma. - Il y a tout lieu de croire que les photons de super-énergie perçoivent la nature quantique de la gravité, qui se situe en dehors du cadre de la théorie générale de la relativité. La théorie affirme que de tels quanta se propagent un peu plus lentement que les photons d'énergies inférieures et surmontent donc les distances cosmologiques avec un retard notable. Ce phénomène n’a pas encore été découvert, mais l’avenir le dira. Le nouvel équipement permettra également de déterminer si des sursauts gamma peuvent être utilisés comme sources de rayonnement de référence. Maintenant, ce rôle est joué par les stars du groupe des Céphéides et du type Ia supernovae. Les sursauts gamma sont beaucoup plus brillants et conviennent donc à la mesure de distances cosmiques à une échelle beaucoup plus grande. Enfin, il y a des chances de détecter des sursauts gamma générés par des explosions d'étoiles supermassives de la première génération, formées à un moment où il n'existait pratiquement aucun autre élément dans l'univers sauf l'hydrogène et l'hélium. Je n’ai pas peur d’appeler cet objectif le Saint Graal de l’astronomie gamma moderne. "

Éclats: long, court ...

Selon Craig Wheeler, professeur à l'Université du Texas à Austin, l'apparition de longs sursauts gamma explique le mieux le modèle qui les relie à des explosions d'étoiles effondrantes supermassives. De telles explosions laissent des trous noirs ou des magnétars - des étoiles à neutrons fortement magnétisées et à rotation rapide. Selon ce modèle, les rayons gamma devraient être émis à l'intérieur de cônes étroits dirigés le long de l'axe de rotation d'une étoile mourante. Très probablement, leurs sources sont des jets ultrarelativistes - des flux de particules dont la vitesse est seulement un millième de moins que la vitesse de la lumière. L'énergie totale des émissions de rayons gamma collimatés devrait être des milliers de fois inférieure à l'équivalent isotrope et ne devrait donc pas dépasser 1051 erg (1044 J), même au maximum. L’effondrement d’une étoile très massive est tout à fait capable de fournir un tel rendement énergétique. Pour l'émission libre de rayons gamma, l'étoile doit se débarrasser de l'enveloppe externe en hydrogène, sinon elle absorbera la majeure partie du rayonnement. "Mais ce n'est que la grande image", dit Wheeler. - Les détails du fonctionnement des véhicules spatiaux qui convertissent l'énergie gravitationnelle et de rotation des étoiles mourantes en rayons gamma dirigés n'ont pas encore été clarifiés. En particulier, nous ne savons pas comment des particules chargées et des champs magnétiques contribuent à ces processus et à quelles distances du centre du collapsar sont générés les principaux flux de rayons gamma. "

Le modèle le plus répandu d’origine des courtes rafales affirme qu’elles sont apparues lors de la collision d’étoiles à neutrons magnétisées, qui tournent autour d’un centre d’inertie commun et se rapprochent progressivement en raison de la perte d’énergie entraînée par les ondes gravitationnelles. Cependant, ce modèle a ses propres taches blanches. Craig Wheeler a déclaré: «Il existe d'autres hypothèses, telles que la naissance de courtes rafales dans les disques d'accrétion de nains blancs, mais elles ne sont pas non plus bien fondées.»

... et très court

David Kline, professeur à l'Université de Californie à Los Angeles, a étudié les plus brefs éclats. Les informations les concernant sont très rares - en raison des capacités limitées de l'équipement. À ce jour, seules quelques douzaines de ce type ont été enregistrées et certaines d'entre elles n'ont duré que 11 millisecondes. Mais presque certainement, les rafales proviennent de l'espace extra-atmosphérique, mesurées non seulement en millisecondes, mais en fractions de millisecondes, il n'existe tout simplement aucun moyen de les détecter.

Очень короткие всплески — рекордсмены по жесткости гамма-излучения, однако максимальные энергии их фотонов еще не определены. Об их послесвечении мало что известно, но если оно действительно существует, то должно быть намного слабее послесвечения всплесков других типов.

«Вполне возможно, что для объяснения природы самых коротких всплесков не понадобятся никакие экзотические модели, — говорит Клайн, — однако я придерживаюсь мнения, что эти всплески возникают в ходе исчезновения черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и просуществовавших до современной эпохи». Такие дыры могут порождать гамма-всплески двумя путями. Стивен Хокинг в 1974 году теоретически показал, что любая черная дыра непрерывно испускает квантовое излучение с чернотельным спектром. Из-за этого она постепенно теряет массу и, как это ни парадоксально, не охлаждается, а нагревается. В конце концов дыра взрывается и излучает в гамма-диапазоне энергию порядка 1030 эрг. Дыры звездной массы и тем более сверхмассивные дыры в ядрах галактик худеют чрезвычайно медленно, более легкие — намного быстрее. Расчеты показывают, что мини-дыра, появившаяся на свет с массой порядка 1010−1011 г, должна взорваться в нашу эпоху, и мы сможем зарегистрировать ее гамма-излучение, если она находится совсем рядом, не далее двух-трех световых лет.

Однако профессор Клайн полагает, что существует и более экстравагантный способ генерации гамма-квантов, доступный дыре с исходной массой в 1014—1015 гг. Когда такая дыра прогревается до триллионов градусов, обычная материя в ее окрестностях превращается в кварк-глюонную плазму. Это фазовый переход первого рода, аналогичный превращению воды в лед. Он приводит к выделению огромной энергии, которая и генерирует очень короткий гамма-всплеск. Такие всплески можно засечь, если их источник находится от нас на дистанции в два-три десятка световых лет. И профессор Клайн не теряет надежды, что детекторы космического телескопа Fermi когда-нибудь смогут подтвердить его гипотезу: «Если космические обсерватории новых поколений смогут улавливать микросекундные, а то и наносекундные гамма-импульсы, появится возможность наблюдать такие детали физики космоса, о которых сейчас нельзя даже и мечтать». В этих надеждах и заключается очарование древнейшей, но неизменно юной науки о Вселенной.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2011).

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