8 Minutės
Atrasta: širdies dūžio pavidalo signalas gama spindulių sprogime
Tarpdisciplininė tarptautinė astronomų grupė nustatė trumpalaikį, periodinį gama spindulių oscilavimą galingame kosminiame sprogime, kurio šviesa pasiekė Žemę 2023 metais. Šis įvykis, pažymėtas kaip GRB 230307A, buvo išskirtinis: ilgalaikis gama spindulių sprogimas, trukęs maždaug 200 sekundžių ir priskirtas vienam ryškiausių kada nors užfiksuotų sprogimų. Nanjing universiteto tyrėjo Run-Chao Chen vadovaujamas išsamus duomenų analizės etapas dabar siūlo interpretaciją, jog trumpas periodinis signalas gali būti pirmasis pastebėtas rotacija varomas pėdsakas iš naujai susiformavusio magnetaro — greitai besisukančios, itin magnetizuotos neutroninės žvaigždės.
Mokslinis fonas: gama spindulių sprogimai, kilonovos ir magnetarai
Gama spindulių sprogimai (GRB) yra energetiškiausi elektromagnetiniai sprogimai Visatoje, išskiriantys milžiniškus kiekius energijos per labai trumpą laiką. Tradiciškai skiriamos dvi pagrindinės kilmės kategorijos: trumpo trukmės GRB (mažiau nei dvi sekundės), dažniausiai susiję su neutronų žvaigždžių susijungimais ir kilonovomis, ir ilgo trukmės GRB (daugiau nei dvi sekundes), siejami su masyvių žvaigždžių branduolio žlugimu ir juodųjų skylių susidarymu. Tačiau kai kurie ilgi sprogimai prieštarauja šiai paprastai priimamai dvejybei ir rodo mišrią ar net netikėtą kilmę.
Pvz., GRB 230307A ir anksčiau fiksuotas anomalus įvykis GRB 211211A (2021 m.) pasižymėjo ilgomis trukmėmis, bet jų pošvytės spektrinės savybės bei optinės/infraraudonosios detalės priminė kilonovą — trumpalaikę šviesos bangų juostos emisiją, susijusią su sunkesnių cheminių elementų sinteze per neutroninių žvaigždžių susijungimus. Kilonovos atsiranda, kai susidūrusios neutronų žvaigždės išmeta sunkių elementų turinčią medžiagą; ši medžiaga savo ruožtu radioaktyviai skleidžia šviesą ir sukuria tipinį trumpalaikį optinį/infraraudoną spindesį.
Kai dvi neutroninės žvaigždės susilieja, galutinis likutis gali tapti arba juodąja skyle, arba masyvesne neutronine žvaigžde. Teoriniai vertinimai rodo, kad maksimalus stabilus neutroninės žvaigždės masės slenkstis yra maždaug 2,3 Saulės masės; jeigu susijungusios sistemos masė lieka žemiau šio slenksčio, liekana gali trumpam arba ilgesniam laikui išgyventi kaip hypermasyvi neutroninė žvaigždė. Kai kuriais atvejais tokia laikina struktūra gali funkcionuoti kaip magnetaras — neutroninė žvaigždė su magnetiniais laukais, keliais eilėmis stipresniais už įprastų pulsarų laukus, ir su sukimosi periodais milisekundėse.
Magnetarai laikomi galimais centriniais „varikliais“, kurie gali įlašinti papildomą energiją į išmetamą medžiagą (ejecta) ir GRB žiotį (jet), keisdami šviesos kreives, spektro energijos paskirstymą ir pošvytės savybes. Ši idėja išplėtoja mūsų supratimą apie tai, kaip įvairūs mechanizmai — neutrininiai, baryoniniai ir magnetiniai — konkuruoja ar bendradarbiauja formuojant stebimas emisijas.
Stebėjimai ir duomenų analizė
GRB 230307A buvo užfiksuotas 2023 m. kovo 7 d. Jo bendra trukmė ir nepaprastas ryškumas iš pradžių klasifikavo jį tarp ilgų GRB, tačiau vėlesnės fotometrijos ir spektroskopijos stebėjimai atskleidė kilonovai būdingas savybes ir pošvytės elgseną, kas suteikė prielaidą manyti apie neutronų žvaigždžių susijungimo kilmę. Chen ir bendradarbiai peržiūrėjo didelio laiko raiškos (high-time-resolution) gama spindulių duomenis, gautus iš instrumento, galinčio registruoti labai trumpus laiko intervalus.
Jie praneša apie silpną, tačiau statistiškai reikšmingą periodinį modulį, trukusį vos 160 milisekundžių, kuris pasirodė maždaug 24,4 sekundės po pradinio signalo aktyvavimo. Tokio tipo trumpalaikių periodinių požymių išskyrimas reikalauja kruopštaus triukšmo modeliavimos, laikų sutapimo analizės ir kitos signalo validacijos, kad būtų atskirta reali periodiška variacija nuo instrumentinių ar atsitiktinių sisteminių efektų.
Meninis magnetaro signalo vaizdinys GRB 230307A. (Yuja Tian and Yuting Wu, Nanjing Zhijiao Cloud Intelligent Technology Co., Ltd.)
Pastebėtas periodiškumas dera su to, ko tikimasi iš milisekundės trukmės magnetaro: greitai besisukančio objekto, kurio sukimasis per magnetinį lauką yra atspindėtas sraute ir spinduliavime. Fizikas Bing Zhang iš Honkongo universiteto, tyrimo bendraautoris, paaiškino interpretaciją: naujai gimstančio magnetaro spartusis sukimasis ir stipri magnetizacija gali sukelti asimetrijas reliatyvistiniame žiotyje (jet), trumpam moduliuojančius stebimą gama spindulių srautą. Kadangi GRB žiotys evoliucionuoja labai greitai ir linkusios suartėti iki simetriškesnės struktūros, periodinis žymėjimas gali būti matomas tik siaurame laiko lange — tai atitinka 160 ms intervalą, užfiksuotą GRB 230307A.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Jeigu šis radinys bus patvirtintas nepriklausomomis analizėmis, tai būtų pirmasis tiesioginis periodinio signalo matavimas, priskiriamas milisekundės magnetarui, esančiam GRB žiotyje. Tokia išvada stiprina hipotezę, kad kai kurie neutronų žvaigždžių susijungimai gali sukurti ilgai išliekamus, stipriai magnetizuotus likučius, kurie neakimirksniu žlunga į juodąsias skyles.
Tai turi kelias svarbias pasekmes: visų pirma, mūsų supratimas apie centrinius variklius, maitinančius tam tikrus GRB ir kilonovų emisijas, plečiasi — magnetinė dinamika, o ne vien baryoninės medžiagos srautas, gali būti dominuojanti jėga. Antra, stebėjimai suteikia naują eksperimentinį kelią tirti magnetaro gimimo fiziką ir magnetinio lauko stiprinimą susijungimų metu, kas anksčiau daugiausia buvo modeliuojama numeriniais skaičiavimais. Trečia, tokių periodinių elektromagnetinių pėdsakų identifikavimas yra svarbus siekiant susieti elektromagnetinius signalus su galimais gravitacinių bangų partneriais — tai sustiprina multimessenger astronomijos strategijas ir leidžia sinchronizuoti skirtingų detektorių duomenis tam, kad būtų gaunamas pilnesnis vaizdas apie susijungimo dinamiką.
- Išplečia centrinio variklio įvairovės supratimą: magnetarai gali vaidinti pagrindinį vaidmenį kai kuriuose GRB ir kilonovų scenarijuose.
- Suteikia stebimų duomenų magnetaro gimimo procesams ir magnetinio lauko amplifikacijai modeliuoti — ypač svarbu testuojant magnetohidrodinaminius (MHD) modeliavimo rezultatus.
- Sujungia elektromagnetines emisijas su potencialiais gravitacinių bangų signalais, prisidedant prie multimessenger tyrimų, kurie leidžia kryžminį patikrinimą tarp nepriklausomų matavimų.
Be to, pastebėjimai rodo, kad šiame konkrečiame įvykyje dominuojančios galėjo būti magnetinės jėgos, o ne vien tik baryoniniai išmetimai. Magnetiškai varoma žiotis gali išlaikyti koherentiškas struktūras, susietas su centrinio objekto sukimusi, todėl trumpalaikės periodinės versijos gali atsispindėti gama spindulių šviesos kreivėse ir spektruose.
Susiję įvykiai ir platesnis kontekstas
GRB 211211A, užfiksuotas 2021 m., yra dar vienas ilgalaikis sprogimas, susijęs su kilonovos emisija ir pasižymėjęs panašiais netipiniais bruožais. Kartu šie atvejai leidžia manyti, jog egzistuoja pogrupis ilgų GRB, kilusių iš kompaktiškų objektų susijungimų, kurie gali sukurti magnetarinius likučius. Sistemingi milisekundinių periodiškumų paieškos archyvuose ir naujuose GRB duomenų rinkiniuose padėtų aptikti papildomus pavyzdžius ir suskaičiuoti statistinius dažnius, kiek dažnai susijungimai duoda išlikusius magnetarus.
Tokia duomenų bazės analizė reikalauja suderintų instrumentų darbų, aukštos laiko raiškos registro, griežtų triukšmo atskyrimo procedūrų ir tarptautinio bendradarbiavimo, kad būtų apdoroti dideli duomenų kiekiai. Pastebėtinai, kiekvienas papildomas surastas periodinis signalas sumažintų neapibrėžtumą dėl atsitiktinių triukšmo įtakų ir padidintų pasitikėjimą šios naujos stebėjimų klasės egzistavimu.
Ateities perspektyvos ir technologijos
Millisekundinių periodinių signalų aptikimas GRB reikalauja instrumentų su išskirtine laiko raiška ir jautrumu gama spindulių juostoje. Tolimesnė ir nuoseklesnė kosminių gama spartintuvų ir observatorijų operacija, kartu su greitu optiniu/infraraudonųjų spektro stebėjimu kilonovų identifikavimui bei gravitacinių bangų detektorių sinchronizacija, žymiai padidins sėkmės tikimybę. Ypač reikšmingos yra ateities misijos su pagerintomis laiko matavimo galimybėmis ir mažesniu foniniu triukšmu — jos gali padidinti aptikimo tūrį ir atverti kelią populacinių tyrimų apie naujai susiformavusius magnetarus.
Be aparatūros, algoritminės inovacijos taip pat vaidina svarbų vaidmenį: pažangios signalo apdorojimo technikos, mašininio mokymosi modeliai triukšmo klasifikacijai ir daugiaspektrinės kampanijos koordinavimo įrankiai leis greičiau ir patikimiau atskirti tikrus periodinius požymius nuo sisteminių klaidų. Kartu su šios srities teoriniais pasiekimais, pvz., aukšto raiškumo MHD simuliacijomis ir audito modeliais, ateities stebėjimai leis paremti arba paneigti hipotezes apie magnetarų įtaką GRB emisijai.
Eksperto įžvalga
"Rasti trumpalaikį periodinį ženklą sudėtingame gama spindulių sprogime yra panašu į tolimos švyturio mirksnio aptikimą audroje," sako dr. Aisha Malik, astrofizikė, tyrinėjanti kompaktiškų objektų susijungimus. "Jeigu šis rezultatas bus patvirtintas nepriklausomais tyrimais, tai suteiks tiesioginį būdą tyrinėti naujai gimstančio magnetaro sukimosi ir magnetinę struktūrą — informaciją, kuri kitu atveju yra labai sunkiai prieinama. Tai padės riboti magnetinio lauko stiprėjimo modelius susijungimų liekanose ir atskleisti ryšį tarp GRB ir kilonovų. Be to, tokie atradimai skatina koordinuotą multimessenger stebėjimą, kuris savo ruožtu didina galimybę sėkmingai susieti elektromagnetinius signalus su gravitacinėmis bangomis."
Išvados
Praneštas 160 ms periodinis signalas GRB 230307A suteikia patrauklią prielaidą, kad magnetarai gali formuotis po neutronų žvaigždžių susijungimų ir laikinai įtakoti gama spindulių žiotį savo sparčiu sukimusi ir itin stipriais magnetiniais laukais. Patvirtinant ir plečiant tokius aptikimus, gilės mūsų supratimas apie kompaktiškų žvaigždžių fiziką, žioties formavimąsi ir GRB protėvių įvairovę. Toliau tęsiami multimessenger stebėjimai ir tikslingos archyvinės paieškos yra natūralūs žingsniai, skirti nustatyti, kaip dažnai susijungimų sukelti laikini magnetarai atsiranda ir kaip jie keičia stebimus signalus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą