Классификация гамма-всплесков и их временные характеристики Гамма-всплески (GRB, от англ. Gamma-Ray Bursts) — это внезапные, чрезвычайно яркие импульсы гамма-излучения, продолжающиеся от долей секунды до нескольких сотен секунд. По длительности и спектральным характеристикам всплески делятся на две основные категории:
Существуют также всплески с промежуточной продолжительностью, и продолжаются дебаты о наличии третьего класса. Кривые блеска GRB демонстрируют значительную вариативность: от одиночных симметричных импульсов до сложных многокомпонентных структур с пиками и подструктурами, имеющими временные масштабы вплоть до миллисекунд.
Космологическая природа гамма-всплесков С запуском обсерватории BeppoSAX в 1997 году стало возможным локализовать гамма-всплески с высокой точностью и обнаруживать их оптические и радиопослесвечения. Спектроскопические наблюдения позволили определить красные смещения источников, установив их космологическую природу. Большинство GRB наблюдаются на красных смещениях z ~ 1–3, а некоторые — вплоть до z > 8, что делает их мощными инструментами для изучения ранней Вселенной.
Излучаемая изотропная энергия может достигать 10⁵²–10⁵⁴ эрг, что превосходит типичную энергию сверхновых звёзд на несколько порядков. Однако коллимация потока приводит к значительной коррекции: истинная энергия излучения снижается на два–три порядка в зависимости от угла раскрытия джета.
Механизмы излучения и внутренняя структура источников Доминирующим механизмом образования гамма-всплеска считается сценарий с образованием релятивистской струи (джета), которая проникает через оболочку звезды (в случае долгих GRB) или возникает в результате слияния компактных объектов (в случае коротких GRB).
Основной физический процесс излучения — это синхротронное излучение ускоренных электронов в магнитных полях, создаваемых в ударных волнах. Предполагается, что гамма-излучение возникает во внутренних ударных волнах, возникающих при столкновении неоднородностей в струе, движущихся с разными лоренцевыми факторами (γ ≫ 100).
Во внешней среде джет возбуждает внешнюю ударную волну, которая производит послесвечение — излучение в рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах, наблюдаемое в течение часов, дней и даже недель после основного всплеска.
Модели центрального двигателя гамма-всплесков Для длинных GRB основной моделью считается коллапсар — коллапс массивной звезды (≥30 M_☉) в чёрную дыру с формированием аккреционного диска и выбросом струи по оси вращения. Энергия, поступающая в джет, формируется за счёт аккреции вещества на чёрную дыру и, возможно, за счёт магнитной экстракции энергии вращения (механизм Блэндафорда–Знаяка).
Короткие гамма-всплески, напротив, связаны с слиянием двух нейтронных звёзд или нейтронной звезды с чёрной дырой. Такой процесс сопровождается выбросом струи и образованием килоновой — кратковременного электромагнитного события, обогащённого тяжёлыми элементами, образовавшимися через r-процесс.
Спектральные свойства и эмпирические корреляции Спектры гамма-всплесков часто аппроксимируются функцией Банд (Band function), представляющей собой ломаную степенную зависимость с экспоненциальным изломом. Типичное положение максимума энергетического спектра (E_peak) — от десятков до сотен кэВ.
Наблюдаются важные эмпирические зависимости, такие как:
Эти зависимости могут быть использованы для оценки расстояний до GRB и исследования расширения Вселенной, хотя точность этих методов уступает стандартным свечам типа Ia.
Поляризация и геометрия джета Наблюдения поляризации гамма- и рентгеновского излучения указывают на наличие упорядоченных магнитных полей в области излучения, что поддерживает модели с доминирующим магнитным механизмом ускорения и коллимации струи. Структура джета может быть как однородной (top-hat jet), так и со структурой (structured jet), где интенсивность и лоренцев фактор изменяются с углом от оси.
Гравитационно-волновые и нейтринные связи Особую роль в астрофизике гамма-всплесков сыграла детекция GW170817 — гравитационно-волнового сигнала от слияния двух нейтронных звёзд, сопровождавшегося коротким GRB170817A. Это стало прямым доказательством связи коротких гамма-всплесков с компактными двойными системами и первым случаем мультимессенджерного наблюдения.
Параллельно ведутся поиски высокоэнергичных нейтрино, сопровождающих GRB. Некоторые модели предсказывают образование нейтрино при фотонуклонных взаимодействиях в джете. Однако несмотря на усилия обсерватории IceCube, надёжных совпадений пока немного.
Гамма-всплески как зонды ранней Вселенной Из-за чрезвычайной яркости GRB могут использоваться для изучения условий в ранней Вселенной, включая:
Изучение поглощения в спектрах GRB позволяет получать информацию о составе и плотности вещества вдоль луча зрения, включая колонки нейтрального водорода, металличности и пыли.
Современные инструменты и будущее наблюдений Ключевыми инструментами для изучения гамма-всплесков являются спутники:
В будущем ожидается развитие проектов:
Параллельно развитие гравитационно-волновой и нейтринной астрономии усилит мультимессенджерный подход, позволяя всесторонне исследовать физику экстремальных процессов, лежащих в основе гамма-всплесков.