Гамма-всплески (gamma-ray bursts, GRB) представляют собой одни из
наиболее мощных и энергетически насыщенных явлений во Вселенной,
высвобождающих колоссальные количества энергии в течение секунд или
минут. Их связь с ускорением частиц до ультра-высоких энергий является
одним из ключевых направлений современной астрофизики космических
лучей.
Гамма-всплески наблюдаются как короткие, но чрезвычайно интенсивные
всплески электромагнитного излучения в гамма-диапазоне. Выделяют две
основные популяции:
- короткие гамма-всплески (длительность менее 2
секунд), связанные с слиянием компактных объектов (нейтронных звезд или
нейтронной звезды с чёрной дырой);
- длинные гамма-всплески (от нескольких секунд до
сотен секунд), обусловленные коллапсом массивных звёзд и образованием
чёрной дыры или магнитара.
Энергетический выход таких процессов достигает 1051 − 1054 эрг, что
сопоставимо с энергией, выделяемой при полном превращении массы Солнца в
излучение.
Механизмы генерации и
ускорения частиц
Гамма-всплески сопровождаются образованием релятивистских джетов,
направленных вдоль оси вращения коллапсирующего или сливающегося
объекта. В этих джетах происходят процессы ускорения частиц до энергий,
достигающих 1020 эВ.
Основные механизмы:
- ударные волны внутреннего типа (внутри джета) и
внешнего типа (при взаимодействии с межзвёздной
средой);
- фермиевское ускорение на фронтах ударных волн;
- реконфигурация магнитных полей, приводящая к
эффективному переносу энергии плазмы на заряженные частицы.
Такие процессы позволяют объяснить происхождение части
ультра-высокоэнергетических космических лучей (УВЭКЛ), наблюдаемых на
Земле.
Наблюдательные
подтверждения связи GRB с космическими лучами
Детекторы космических лучей (например, обсерватории Pierre
Auger и Telescope Array) фиксируют частицы с
энергией выше 1019 эВ,
происхождение которых не может быть объяснено только галактическими
источниками. Гамма-всплески, как объекты, обладающие достаточным
энергетическим потенциалом и пространственным распределением, являются
естественными кандидатами.
Ключевые наблюдательные факты:
- зарегистрированы совпадения высокоэнергетических нейтрино с
направлениями на гамма-всплески (по данным
IceCube);
- спектры GRB демонстрируют наличие высокоэнергетического излучения
(до сотен ГеВ по данным Fermi-LAT), что согласуется с
гипотезой ускорения протонов и тяжёлых ядер;
- временные корреляции гамма-излучения и нейтринных событий указывают
на единый механизм генерации.
Роль магнитных полей
Магнитные поля в окрестностях центрального двигателя GRB достигают
значений до 1015 Гс. Их роль
заключается в:
- коллимации релятивистского джета;
- обеспечении условий для ускорения заряженных частиц через процессы
магнитной рекомбинации;
- генерации синхротронного и инверсного комптоновского излучения,
определяющего спектральные свойства гамма-всплеска.
Эффективность ускорения частиц напрямую зависит от конфигурации
магнитных полей и скорости их диссипации.
Космические
лучи ультра-высоких энергий и гамма-всплески
Космические лучи с энергией выше 1018 эВ, вероятно, имеют
внегалактическое происхождение. Модели показывают, что:
- GRB способны объяснить полный поток наблюдаемых УВЭКЛ при разумных
параметрах частоты всплесков и их энергетического выхода;
- при взаимодействии ускоренных протонов с фотонами внутри джета
(p + γ → π+ + n)
генерируются нейтрино и гамма-кванты высокой энергии;
- взаимодействие с межгалактическим фоном (СВФ – космическим
микроволновым излучением и экстрагалактическим фоновым светом) приводит
к развитию каскадов, формирующих вторичное излучение, доступное для
наблюдений.
Теоретические
ограничения и нерешённые вопросы
Несмотря на успехи, остаются существенные неопределённости:
- доля вклада GRB в общий поток УВЭКЛ по-прежнему неясна;
- временные совпадения нейтринных событий с GRB пока редки и
статистически недостаточны;
- требуется уточнение роли тяжёлых ядер в составе ускоряемых
частиц;
- моделирование релятивистских джетов осложняется сложной динамикой
магнитной плазмы.