Наблюдения ультраярких и сверхдлинных космических гамма-всплесков дают уникальную информацию о процессах, сопровождающих коллапс звезд с массой в десятки раз превышающей массу Солнца и расположенных в далеких галактиках. Результаты анализа ряда таких уникальных событий являются одним из промежуточных итогов работы эксперимента КОНУС, который проводят сотрудники ФТИ им. А.Ф. Иоффе на американском спутнике ВИНД (НАСА). Это один из самых продолжительных экспериментов в космосе, успешно работающий с ноября 1994 г., и одновременно ключевой элемент международной сети наблюдений космических гамма-всплесков.

Космические гамма-всплески — импульсные потоки гамма-излучения с энергией квантов от нескольких килоэлектронвольт до десятков мегаэлектронвольт и длительностью от нескольких миллисекунд до нескольких часов, распространяющиеся сквозь Вселенную. Когда такой тонкий фронт излучения движется через Солнечную систему и регистрируется детекторами гамма-излучения на космических аппаратах, это и называется гамма-всплеском. Гамма-всплески были открыты на американских спутниках «Вела» в начале 1970-х гг. Первые в мире всесторонние исследования этого нового астрофизического явления были выполнены в экспериментах ФТИ им. А.Ф. Иоффе КОНУС на автоматических межпланетных станциях «Венера-11» — «Венера-14» в 1979-83 гг. В нем впервые были определены основные наблюдательные характеристики гамма-всплесков, подтвержденные в последующих экспериментах. Было показано, что источники гамма-всплесков равномерно распределены по небесной сфере. Это означало, что их источники лежит за пределами нашей Галактики. Был открыт новый вид астрофизических объектов, получивший позднее название мягкие гамма-репитеры.

Новый этап исследований гамма-всплесков во ФТИ связан с установкой созданной в институте высокочувствительной и высокоинформативной аппаратуры на американский спутник «Винд» (WIND). Российско-американский эксперимент КОНУС-ВИНД успешно проводится непрерывно с ноября 1994 г. по настоящее время, то есть более 21 года. В современную эпоху всеволновых исследований эксперимент КОНУС-ВИНД предоставляет важные, часто уникальные данные о временных и энергетических свойствах их излучения в области энергий 20 кэВ — 15 МэВ.

Аппаратура эксперимента КОНУС — два сцинтилляционных гамма-спектрометра. Они установлены на спутнике ВИНД, стабилизированном вращением, таким образом, что они постоянно осматривают всю небесную сферу. Орбита спутника расположена полностью в межпланетном пространстве (в так называемой точке либрации L1, при-мерно в 1,5 миллиона км от Земли на линии «Земля-Солнце»), то есть вне радиационных поясов Земли, которые представляют опасность для детекторов. Также благодаря этому Земля не закрывает детекторам обзор каких-либо участков небесной сферы.

Важная задача эксперимента — определение координат источников гамма-всплесков триангуляционным методом по данным межпланетной сети спутников (InterPlanetary Network, IPN) с детекторами гамма-квантов на борту. Этот, исторический первый, метод локализации источников всплесков продолжает играть важную роль в со-временных исследованиях источников гамма-всплесков, а эксперимент КОНУС-ВИНД, благодаря своему расположению и характеристикам, — ключевой сегмент сети IPN. Благодаря наличию в ней космических аппаратов, расположенных на большом удалении от Земли, точность определения координат источников всплесков доходит до единиц угловых минут и позволяет начинать их исследование на наземных телескопах. Кроме этого, данные IPN используются для анализа сигналов современных детекторов гравитационных волн, информации от детекторов нейтрино и при анализе вспышек сверхновых звезд.

Одновременно данные эксперимента помогают понять механизм генерации самих гамма-всплесков. Принятые теоретические модели говорят, что космический гамма-всплеск наблюдается как результат взаимодействия ударных волн внутри релятивистского струйного выброса («джета») из центрального источника. Послесвечение в широком диапазоне длин волн, наблюдаемое от дней до нескольких месяцев после гамма-всплеска, связано с взаимодействием струйного выброса с межзвездной средой. Важным результатом, который согласуется с этими предположениями, являются данные всеволновых наблюдений исключительного по яркости гамма-всплеска 18 сентября 2011 г. Помимо информации о гамма-излучении источника в начальной фазе события использовались наблюдения всплеска сетью IPN, рентгеновским и ультрафиолетовым телескопами миссии «Свифт» (НАСА) и наземного телескопа GROND (Европейская южная обсерватория). Было установлено, что исключительная яркость всплеска обусловлена высокой степенью коллимации релятивистского «джета» с углом раскрытия 1,7–3,4 угловых градуса — иными словами, огромная энергия оказывается «собрана» в очень узком пучке излучения. Данный результат позволяет оценить истинные значения энерговыделения в источнике GRB 110918A и его пиковой светимости.

Другим исключительно интересным событием оказался ультрадлинный гамма-всплеск 25 сентября 2013 г. Его длительность составила почти 5 часов, и полный ход его кривой яркости получен только в эксперименте КОНУС-ВИНД в энергетическом интервале 21 кэВ — 1360 кэВ. Принадлежность различных эпизодов активности к одному и тому же источнику подтверждена триангуляционными измерениями по данным сети IPN. Сопоставление наблюдений этого необычного события в различных областях длин волн и его моделирование привело к заключению, что его источником является коллапс массивной звезды, что характерно для обычных длинных гамма-всплесков. Наблюдаемая картина гамма-излучения всплеска и его послесвечения соответствует образованию узкого конуса ударной волны в среде с низкой плотностью.

GRB130925A был исследован также в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне с помощью спектрографа GROUND на телескопе MPG/ESO. Была зарегистрирована вспышка оптического и ближнего инфракрасного излучения, задержанная по отношению к основному пику гамма-излучения, наблюдавшемуся КОНУС-ВИНД, на время 300-400 секунд. Рассмотрены различные механизмы объяснения задержки между гамма-излучением и оптическим излучением для этого всплеска. Результаты исследования GRB130925A свидетельствуют в пользу широко обсуждаемого предположения о том, что сверхдлинные гамма-всплески образуют отдельный подкласс событий.

Уникальный по яркости и жесткости гам...

Уникальный по яркости и жесткости гамма-излучения гамма-всплеск зарегистрирован 19 февраля 2014 г. Всплеск был локализован сетью IPN. В основной фазе события полный поток электромагнитной энергии составил 1,1×10^-3 эрг/см^2 в диапазоне энергий 26 кэВ–18 МэВ. По величине потока этот гамма-всплеск является самым интенсивным за 20 лет непрерывных наблюдений в эксперименте КОНУС-ВИНД. Рекордная энергетика события обусловлена жесткостью излучения: характерная (пиковая) энергия достигала 2,8 МэВ и сохранялась на уровне выше 2,0 МэВ на протяжении основной фазы события (электронный международный циркуляр GCN#15870). Всплеск еще раз подтвердил преимущества удаленной от Земли орбиты КА «Винд»: основная фаза события была недоступна для миссий «Свифт» и «Ферми» (НАСА) из-за экранирования Землей

Результаты исследований за 2011-15 гг. коллектива авторов ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Аптекарь Р.Л., Голенецкий С.В., Свинкин Д.C., Уланов М.В., Пальшин В.Д., Фредерикс Д.Д.) опубликованы в 15 работах в международных журналах по астрофизике и представлялись в устных и приглашенных докладах на международных и российских конференциях. Цикл был удостоен премии за лучшую научную работу ФТИ им. А.Ф. Иоффе 2015 г. (Исследования космических гамма-всплесков как источников экстремального выделения электромагнитной энергии во Вселенной в эксперименте «Конус-Винд»).

Исследования космических гамма-всплесков как источников экстремального выделения электромагнитной энергии во Вселенной в эксперименте «Конус-Винд». Аннотация на сайте ФТИ им. А.Ф, Иоффе РАН