Открытие оптического излучения одного из самых мощных взрывов в нашей Вселенной

Автоматизированная система оптического мониторинга неба Казанского федерального университета ММТ (Мини-МегаТОРТОРА) смогла пронаблюдать в реальном времени рождение черной дыры на расстоянии 9 миллиардов световых лет.

Гамма-всплески – одно из наиболее интригующих и интенсивно изучаемых астрофизиками явлений во Вселенной. Примерно раз в день космические обсерватории регистрируют короткие (длительностью от долей до десятков секунд), но очень мощные вспышки жесткого излучения. Как сегодня представляется, они связаны с катастрофическим коллапсом очень массивной звезды, расположенной в одной из далеких галактик. Звезда погибает, ее ядро превращается в черную дыру, а внешние слои разлетаются в виде узких направленных потоков плазмы со скоростями лишь немного меньшими скорости света.

Такие взрывы – самые энергичные события во Вселенной. В них, за одну секунду, выделяется в десятки миллионов раз больше энергии, чем Солнце расходует за всю свою жизнь.

Малая длительность гамма-всплесков весьма усложняет процесс изучения этого явления. Для понимания его физической природы ученым необходимо проводить наблюдения синхронно в гамма и оптическом диапазонах спектра. С этой целью в Казанском университете в тесном сотрудничестве с САО РАН, ООО «Параллакс» и АО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» была создана роботизированная система из девяти широкоугольных (с полем зрения 10x10 градусов) объективов, способных вести наблюдения с временным разрешением вплоть до 0.1 секунды. Она получила название Мини-МегаТОРТОРА или ММТ. Этот проект – один из примеров разработки высокотехнологичного научного оборудования силами ученых КФУ и их коллег. Полностью автоматизированная, система ММТ каждую ясную ночь проводит наблюдения около 70% неба, накапливая при этом 28 терабайт информации, и обрабатывая эти данные без участия человека в режиме реального времени. В то же время системой управляют астрономы, программируя ее и определяя режимы работы. С этой целью оборудованы два пункта контроля и управления ММТ — в АОЭ им. В.П.Энгельгарда и САО РАН.

ММТ функционирует с лета 2014 года. За это время накоплен громадный массив данных о различных быстропротекающих небесных явлениях. Самые частые - пролеты метеоров и искусственных спутников Земли. В частности, зарегистрировано около 100 тысяч метеоров вплоть до 11 звездной величины. Эти объекты в сто раз слабее типичных явлений, занесенных во всемирные базы данных. При этом количество метеоров, обнаруженных ММТ за два года, близко ко всемирному «улову» за четыре года. Уникальные результаты получены при наблюдениях спутников и космического мусора: благодаря высокому временному разрешению системы ММТ удается обнаруживать быстрые вариации блеска этих объектов, связанные с их формой, изменениями орбиты, торможением в атмосфере. По сравнению с другими мониторинговыми системами ММТ обладает уникальными характеристиками и поэтому вносит весомый вклад в изучение быстро протекающих небесных явлений.

Три недели назад система ММТ стала участником масштабного открытия. Вечером 25 июня (в 22:40:15 по Всемирному времени) космическая обсерватория им. Э. Ферми зарегистрировала короткий всплеск гамма-излучения, получивший обозначение GRB 160625B, чьи примерные координаты были тут же переданы на Землю, для того чтобы наземные телескопы также смогли проследить за ним. Это, в действительности, является довольно сложной задачей, так как гамма-всплески обыкновенно длятся не более десятков секунд, и лишь в единичных случаях удавалось провести их синхронные наблюдения не только из космоса, но и с Земли.

В данном случае система ММТ стала одним из немногих наземных телескопов, которые успели начать наблюдения уже через несколько десятков секунд после получения информации с телескопа им. Э. Ферми и до начала основного всплеска энерговыделения, а затем вели их до полного окончания всего события.

Девять широкоугольных объективов ММТ автоматически начали наблюдения области неба размерами 30x30 градусов уже через 52 секунды после регистрации гамма-всплеска. Важно, что событие, первоначально обнаруженное космическим гамма-телескопом, было лишь так называемым прекурсором – очень короткой и не очень мощной вспышкой, предшествующей длительному и мощному основному выделению энергии, которое достигло Земли через 188 секунд после первого сигнала. Таким образом, ученые получили возможность (третий раз в истории таких исследований) наблюдать оптическое излучение, сопутствующее гамма-всплеску, от самого его начала. За последующие 500 секунд оптический всплеск затух настолько, что перестал быть видимым для системы ММТ.

Рис.1 Первые 20 изображений области локализации гамма-всплеска GRB160625B размером 20' x 20', полученные системой Мини-МегаТОРТОРА (зеленый кружок показывает положение оптической вспышки).

Большая продолжительность оптической вспышки позволила получить более 20 ее изображений (Рис.1). За пару десятков секунд яркость возросла как минимум в 70 раз (примерно до 9-ой звездной величины), после чего свечение начало быстро затухать. Эти результаты полностью подтверждаются данными, полученными с помощью двух других мониторинговых систем, расположенных на юге Испании и на Канарских островах. Эти телескопы вели наблюдения синхронно с ММТ, и поэтому можно сказать, что открытие принадлежит всему мировому астрономическому сообществу.

Обнаруженный гамма-всплеск, длился почти 700 секунд, и, по-видимому, являлся самым мощным среди нескольких тысяч подобных событий, уже известных астрофизикам с момента их первой регистрации в начале семидесятых годов прошлого века.

Оптические наблюдения, проведенные через день после всплеска на 8-метровом телескопе Европейской Южной Обсерватории позволили обнаружить далекую галактику, расположенную на том же месте, где наблюдался GRB 160625B. Получив ее спектр, ученые смогли измерить расстояние до нее, которое оказалось равным почти 9 миллиардам световых лет – столько времени понадобилось квантам света, чтобы достичь Земли и быть зарегистрированными сначала космической обсерваторией (в жестком диапазоне), а затем и наземными телескопами (в оптическом).

Исследования уникального космического явления продолжаются.