ВСПЫШКА
ГАММА-ВСПЛЕСКИ: SWIFT И FERMI

Спутники «Вела» запускались парами, чтобы следить за ядерными взрывами в космосе; на них стояли детекторы рентгеновского и гамма-излучения и нейтронов [1]; «Вела-4А» и «Вела-4Б» стартовали 28 апреля 1967 года [2]. 2 июля 1967 года эти два спутника зарегистрировали всплеск гамма-излучения, совсем не похожий на оружие [2]. Рэй Клебесадел и его коллеги из Лос-Аламоса нашли его позже, просматривая архивные данные, и продолжили поиски.

В 1973 году они опубликовали шестнадцать всплесков, зарегистрированных с июля 1969 по июль 1972 года разнесёнными друг от друга аппаратами: фотоны с энергией 0,2–1,5 МэВ, длительность — от менее 0,1 с до примерно 30 с [3]. Сравнение времён прихода на далеко разнесённые спутники дало грубые направления, и эти направления исключили Землю и Солнце [3]. Источник должен был находиться в космосе — но никто не знал, на каком расстоянии.

Если бы всплески рождались в нашей Галактике, они теснились бы к Млечному Пути. Проверку провёл прибор BATSE на обсерватории NASA «Комптон», запущенной 5 апреля 1991 года [2]. За девять лет он определил положение 2704 всплесков, и они распределились по небу равномерно — без избытка вдоль Млечного Пути, без избытка в сторону его центра, без значимого дипольного или квадрупольного момента [4].

Одно лишь равномерное небо ещё не доказывает большого расстояния: всё, что гораздо ближе толщины галактического диска, тоже выглядит равномерно, потому что мы внутри него. Вторая подсказка — слабых всплесков оказалось слишком мало: у населения был край [4]. Близко, равномерно и с краем — значило бы что-то странное вокруг Солнца или в огромном гало вокруг Галактики; далеко, равномерно и с краем — указывало на всю Вселенную. Модель ниже показывает первую половину этого рассуждения.

Длительность всплеска измеряют величиной T90 — временем, за которое приходят средние 90 % отсчётов. В 1993 году Крисса Кувелиоту с коллегами обнаружила, что длительности BATSE делятся на две группы: короткие всплески короче примерно 2 с, обычно более жёсткие (больше фотонов высоких энергий), и длинные — дольше 2 с, обычно более мягкие [5]. На графике ниже — все всплески Fermi GBM с измеренным T90: 4391, с июля 2008 по 8 октября 2026 года [6][7].

У двух семейств разные «двигатели». Длинные всплески возникают при коллапсе массивных звёзд: за длинным всплеском 29 марта 2003 года в той же точке последовала очень мощная сверхновая, взорвавшаяся в пределах нескольких дней от него [8]. Короткие всплески порождаются, по крайней мере отчасти, слиянием нейтронных звёзд: 17 августа 2017 года короткий всплеск пришёл через 1,74 с после гравитационно-волнового сигнала от слияния нейтронных звёзд в галактике на расстоянии около 43 млн парсек (около 140 млн световых лет) [9] — история этой волны в справочнике РЯБЬ.

Гамма-лучи проходят сквозь зеркала, поэтому телескоп BAT аппарата Swift использует кодирующую маску: около 54 000 свинцовых пластинок в случайном порядке, половина ячеек открыта, в метре над 32 768 маленькими детекторами из теллурида кадмия-цинка [10]. Всплеск отбрасывает тень маски на детекторы; по сдвигу тени определяют направление. BAT охватывает около 1,4 ср неба в диапазоне 15–150 кэВ и за секунды вычисляет положение с точностью до нескольких угловых минут [10][11]. Затем весь аппарат сам разворачивается, наводя рентгеновский и оптический телескопы на эту точку.

Fermi, запущенный 11 июня 2008 года, устроен иначе: монитор гамма-всплесков GBM вовсе не строит изображений — его детекторы смотрят в разные стороны, поэтому он видит около 8,8 стерадиана (почти всё небо, не закрытое Землёй) в диапазоне 8 кэВ — 30 МэВ и находит направление с точностью до нескольких градусов, сравнивая их отсчёты [2][12]. Телескоп LAT доходит до сотен ГэВ. Расстояния стали измеримы благодаря послесвечениям: в 1997 году BeppoSAX зарегистрировал первое рентгеновское послесвечение (GRB 970228) и так быстро локализовал GRB 970508, что телескоп Кека нашёл в его свете систему поглощения с красным смещением 0,835 — значит, всплеск был по меньшей мере так далеко [2][13].

Детектор измеряет флюенс — энергию на квадратный сантиметр, просуммированную за всплеск. Если по послесвечению известно красное смещение, расстояние следует из истории расширения Вселенной, а энергия, которую всплеск выделил бы, светя одинаково во все стороны, — E_iso, — получается распределением этого флюенса по сфере такого размера. GRB 221009A 9 октября 2022 года стал самым ярким всплеском за всю работу Fermi и был настолько мощным, что насытил чувствительные детекторы; при красном смещении 0,151 он выделил таким образом около 10⁵⁵ эрг [14][15].

Это примерно в шесть–семь раз больше энергии, которая получилась бы, если бы вся масса Солнца превратилась в излучение (M_☉c² ≈ 1,8 × 10⁵⁴ эрг), и выделилась она за минуты. Гамма-всплески видны и почти на всём протяжении космической истории: GRB 090423 с красным смещением около 8,2 покинул свою галактику, когда Вселенной было около 630 млн лет [16]. Выберите всплеск ниже или задайте свои флюенс и красное смещение; расстояние и возраст рассчитаны по космологии Planck 2018 [17].

E_iso предполагает, что всплеск светит одинаково во все стороны. Это не так: гамма-излучение идёт из двух узких струй, движущихся почти со скоростью света. Если у каждой струи полуугол раскрытия θ, вместе они освещают долю 1 − cos θ неба, и истинная энергия — это такая доля E_iso. Угол θ даёт резкое ускорение угасания послесвечения — излом кривой блеска, связанный со струёй (джет-брейк).

В 2001 году Дейл Фрейл с коллегами применили эту поправку ко всплескам с измеренным изломом струи и обнаружили, что энергии, сильно различавшиеся как E_iso, тесно группируются около 5 × 10⁵⁰ эрг [22]. Обратная сторона: на каждый всплеск, направленный на нас, приходится много других, направленных в сторону, которых мы никогда не увидим. Это была одна выборка всплесков, поэтому считайте это типичным значением, а не законом.

Swift запущен 20 ноября 2004 года [2], и в его таблице всплесков их больше 1700 [23]. Его низкая орбита снижалась быстрее, чем ожидалось. В феврале 2026 года рентгеновский и ультрафиолетово-оптический телескопы отключили и развернули аппарат так, чтобы уменьшить сопротивление; BAT остановили в апреле [24]. Коммерческий сервисный аппарат LINK компании Katalyst был запущен в июле 2026 года, чтобы поднять орбиту, но из-за проблем с ориентацией не смог захватить Swift: от подъёма орбиты отказались 19 августа [25], а сам LINK вошёл в атмосферу 25 сентября [26].

И всё же Swift вернулся к работе: оба телескопа включили 26 августа, BAT снова регистрировал гамма-излучение 18 сентября, а автоматические развороты к новым всплескам возобновились 21 сентября, на высоте около 325 км [24][27]. NASA ожидает, что в начале или середине октября аппарат опустится ниже 300 км, после чего наблюдения, вероятно, прекратятся [27]; вход в атмосферу ожидается в этом году [26]. Fermi продолжает работу, а с 22 июня 2024 года всплески ловит и китайско-французский SVOM со своим телескопом с кодирующей маской [28].