Original Material
Ярчайший гамма-всплеск: требуется ли Новая Физика?
9 октября 2022 года был зарегистрирован самый яркий гамма-всплеск за всю историю наблюдений. Он произошел довольно близко: разные оценки (по линиям поглощения в послесвечении всплеска и по линиям родительской галактики) сходятся на красном смещении z = 0,151 (2 млрд световых лет).
По оценке Kann et al1 GCNC32762 во время прямой фазы всплеска (есть еще послесвечение) была испущена энергия 6 · 1054 эрг. Для сравнения: энергия массы покоя Солнца 2 · 1054 эрг (это если всё оно проаннигилирует). Конечно, излучение гамма-всплеска сильно неизотропно — излучается направленный джет, так что для оценки истинного энерговыделения вышеприведенное значение надо поделить на число где-то от сотни до тысячи.
Такие мощные всплески встречаются во всем наблюдаемом объеме Вселенной примерно четыре раза в год2. Если же взять объем внутри 2,8 млрд световых лет, то подобного гамма-всплеска нужно ждать порядка тысячи лет (если учитывать падение темпа звездообразования). А мы дождались всего за полсотни лет, прошедших со времени открытия гамма-всплесков.
По своей кривой блеска это типичный гамма-всплеск с предшественником (прекурсором).
Данный прекурсор дал триггерный сигнал монитора гамма-всплесков (GBM) на «Ферми», т. е. запустил моду записи. Прекурсор выглядел обычным гамма-всплеском продолжительностью несколько секунд. Потом всё стихло, но через почти двести секунд с того же направления хлынул гигантский поток мягких гамма-квантов, засветивший детекторы GBM. Он продолжался примерно семь минут (см. график ниже).3
Подобная морфология не уникальна — похожие всплески с прекурсором встречались неоднократно, все они сильные, поскольку у слабых прекурсор просто не виден. Возможно, это весьма распространенное явление, хотя природа прекурсора неизвестна, как, впрочем, и механизм генерации сложных временных профилей гамма-всплесков.
Главный детектор «Ферми» (Large Area Telescope, LAT) зарегистрировал поток гамма-квантов большой энергии, причем среди них был 100-гэвный.
Через 10 минут закончилась прямая фаза всплеска и началось послесвечение — оно отличается от прямой фазы меньшей интенсивностью, широким спектральным диапазоном и медленным затуханием. Примерно за первые полчаса китайский детектор LHAASO, согласно телеграмме 4, зарегистрировал гамма-кванты с энергией выше 500 ГэВ, причем среди них был один с энергией 18 ТэВ. Наконец, установка для регистрации широких атмосферных ливней «Ковёр-2», входящая в состав Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, через час с лишним после всплеска зарегистрировала гамма-квант с энергией 250 ТэВ, который пришел с той же точки неба (отклонение 1,8° при разрешении 4,7°)5.
На рисунке выше запечатлено интересное явление: рентгеновское эхо гамма-всплеска, снятое космической обсерваторией Swift через час после вспышки. Кольца возникают от рассеяния рентгеновских фотонов на облаках пыли в нашей галактике. В данном случае изображение колец дают фотоны, чей путь на световой час длинней: чем ближе к нам облако, тем шире кольцо, причем кольца расходятся со временем. По таким снимкам можно изучать галактические облака пыли — правда, подобная возможность выпадает нечасто.
Еще один интересный факт, связанный с этим гамма-всплеском: отклик ионосферы. Меняется интенсивность приема сверхдлинных радиоволн из-за наведенной ионизации.
Но самая драматичная сторона этого всплеска вовсе не в его исключительной яркости. Полученные данные очень трудно объяснить без привлечения Новой Физики. Речь прежде всего о гамма-квантах максимальной энергии — 18 ТэВ и тем более 250 ТэВ. Дело в том, что Вселенная непрозрачна для гамма-квантов подобных энергий на длинах пробега в миллиарды световых лет. Для тэвных гамма-квантов существует мощный поглотитель: инфракрасное излучение пыли галактик.
Это кажется парадоксальным, но существует хорошо известный процесс — рождение электрон-позитронной пары двумя гамма-квантами. При этом один из них может быть совсем «мягким», инфракрасным — главное, чтобы произведение их энергий ε1ε2 было больше квадрата массы электрона me, точнее, должно выполняться условие ε1ε2(1 — cos ϑ) > 2 me2.
Излучение звезд галактик дает фотоны с энергией порядка электронвольта и выше — значит, фотоны с энергией 1012 эВ (1 ТэВ) и даже сотни ГэВ уже могут поглощаться на свете звезд. Это действительно наблюдается: спектры далеких блазаров завалены начиная с сотен ГэВ, т. е. фотонов от света звезд хватает, чтобы поглотить заметную часть тэвных гамма-квантов начиная с красных смещений ~0,1. Тем не менее некоторые блазары с красным смещением 0,3 видны на энергиях около ТэВ’а. Но есть еще сильный фон от пыли галактик, особенно тех, где идет бурное звездообразование. Число фотонов от пыли на два порядка выше, они начинают сильно поглощать гамма-кванты начиная с энергий около 10 ТэВ. Для фотонов 18 ТэВ вероятность долететь с красного смещения 0,15 по разным оценкам колеблется от 10–4,5 до 10–9 (межгалактический инфракрасный фон известен недостаточно точно). Вот и мотив для привлечения Новой Физики к объяснению всплеска 9 октября! Новую Физику рассмотрим ниже, а сейчас обсудим вопрос о том, действительно ли этот гамма-квант ломает существующие представления.
Если его энергия действительно 18 ТэВ, то он «проходит» практически на пределе — если предположить, что спектр гамма-излучения всплеска был достаточно жестким и что реально инфракрасный фон ближе к нижней оценке. В одной из работ, посвященных этому всплеску, «натягивается» вполне приличная вероятность зарегистрировать 18-тэвный фотон 6. Но насколько надежно измерена эта энергия? Результаты LHAASO по данному всплеску не опубликованы, есть только телеграмма. Надежных данных по отклику установки, скорее всего, не существует (это очень сложная задача). Между тем, если энергия данного фотона была завышена, например, в полтора раза, и на самом деле его энергия, скажем, 12 ТэВ, то вероятность его прилета с z = 0,15 возрастает раз в пять.
Тут на память приходит история с «нарушением порога Грейзена — Зацепина — Кузьмина» по результатам японской установки по регистрации широких атмосферных линий AGASA. Вышеупомянутый порог связан с тем, что протоны энергии выше 1020 эВ быстро теряют энергию, взаимодействуя с фотонами реликтового излучения. Значит, в спектре космических лучей должен быть завал при этой энергии, а его не было — спектр шел дальше до 2 · 1020–3 · 1020 эВ. Появилась масса теоретических работ с привлечением Новой Физики. Главным образом покушались на специальную теорию относительности: дескать, она перестает работать при огромных лоренц-факторах. Ларчик открывался просто: AGASA была неправильно откалибрована, энергия частиц завышалась в среднем в два с лишним раза. После обнаружения ошибки всё встало на свои места. Я не утверждаю, что в данных LHAASO содержится ошибка, но это тот момент, который должен быть тщательно проверен, прежде чем делать сильные утверждения по поводу Новой Физики. Другая возможность тривиального происхождения этого события — фон протонов. Такую вероятность еще предстоит оценить.
Кроме гамма-квантов, зарегистрированных LHAASO, есть еще гамма-квант энергии 250 Тэв, зарегистрированный установкой «Ковёр-2». По оценкам авторов сообщения, вероятность случайного прилета гамма-кванта такой энергии с этого направления в данном временном окне около 10–4. Для энергии 250 ТэВ оптическая толща с z = 0,151 безнадежно велика, и если этот гамма-квант прилетел действительно от всплеска, для его объяснения однозначно требуется Новая Физика. Есть еще шанс, что это событие вызвано нейтрино от всплеска, но этот шанс тоже мал: несравненно более крупная установка Ice Cube ничего подобного не зарегистрировала.
Какую Новую Физику могут вести за собой эти «невозможные» гамма-кванты? Первый вариант — нарушение лоренц-инвариантности. То есть преобразования Лоренца работают «неправильно», если так называемый лоренц-фактор преобразования Γ очень велик. Преобразование энергии «встречного» фотона в системе, движущейся ему навстречу, равно ε1 = ε · Γ, и чтобы фотоны энергии 0,01 эВ и 1014 эВ могли родить пару, двигаясь навстречу друг другу с энергией 1 МэВ, должно правильно работать преобразование с Γ ~ 108. А если лоренц-инвариантность нарушается, то такой системы может и не найтись — фотон не будет поглощен, Вселенная будет для него прозрачна.
Такой вариант противоречит лично моему «чувству прекрасного»: все-таки специальная теория относительности лежит в основе мира, и шутки с ней могут нарушать причинность и приводить к каким-то еще неприятностям. К тому же с лоренц-инвариантностью всё оказалось в порядке для протонов с энергией 1020 эВ (порог Грейзена — Зацепина — Кузьмина), а там задействован лоренц-фактор Γ ~ 1011.
Другой вариант связан с гипотетической частицей — аксионом. Это частица, похожая на фотон (спин — единица, нулевой заряд), которая была введена для объяснения некоторых странностей Стандартной модели. Масса аксиона может быть очень маленькой, и, в отличие от фотона, он очень слабо взаимодействует с веществом. При этом аксион может распадаться на фотоны или просто переходить в фотон в присутствии внешнего поля. Это решает проблему — аксион, родившись от ускоренных частиц в источнике гамма-всплеска, легко преодолевает огромные расстояния и конвертируется в фотон неподалеку от нас.
Итак, свидетельствует ли однозначно гамма-всплеск GRB091022A о необходимости привлечения Новой Физики? Мое мнение: однозначно не свидетельствует, но заставляет задуматься и требует более внимательного разбирательства.
В гамма-всплесках и так сплошные загадки, даже если понятен сценарий их излучения: джет, рождаемый аккреционным диском у новорожденной черной дыры в центре звезды, прожигает ее и излучает направленный поток гамма-квантов, вырвавшись на простор. До сих пор непонятен механизм излучения, загадочен временной профиль, плюс имеется совершенно странное явление — предвестник (прекурсор) всплеска. Вот появилась еще одна загадка.
Борис Штерн
1 gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/32793.gcn3
2 Atteia J.-L. et al (2017) ApJ 837 119. doi.org/10.3847/1538-4357/aa5ffa
3 Hayes L. A. and Gallagher P. T. (2022) Res. Notes AAS6 222. doi.org/10.3847/2515-5172/ac9d2f
4 Huang Y. et al. (2022) — ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022GCN.32677….1H/abstract