Шанс обнаружить вспышку сверхновой звезды, связанную с гамма-всплеском, на сегодняшний день равен 0,00346%. Ученые ВШЭ выяснили, что повысить вероятность таких открытий можно при помощи сети из нескольких телескопов в разных географических координатах, проверки данных в фотометрических фильтрах и анализа снимков с учетом особенностей галактики, в которой произошел всплеск. Эти способы они изложили в статье в журнале Pattern Recognition and Image Analysis.
Гамма-всплески — мощнейшие выбросы энергии во Вселенной, которые обнаруживают в гамма-диапазоне. Активная фаза такой вспышки может длиться меньше секунды, но за это время выделяется больше энергии, чем Солнце излучает за миллиарды лет. Обычно гамма-всплески происходят на огромном удалении от Земли, но если такая вспышка случится вблизи нашей галактики, она повредит озоновый слой, защищающий нас от опасного космического излучения, и может вызвать массовое вымирание.
© InScienceРис. 1. Астрономические изображения гамма-всплеска GRB 201015A. Всплеск зарегистрировали 15 октября 2020 года. На левом снимке изображены области его локализации спустя 10 дней, когда сам гамма-всплеск должен погаснуть. На ноябрьских снимках (в центре и справа) источник (выделен красным) тускнеет, из чего ученые сделали вывод, что перед ними сверхновая и всплеск связан с ней.
Всплески случайно открыли в 1967 году, когда с секретный американского спутника Vela, который должен был отслеживать ядерные испытания в СССР и Великобритании, внезапно получил сигнал из космоса. Точный механизм появления всплесков не до конца изучен. По одной из теорий, часть гамма-всплесков – результат вспышки сверхновой, которая возникает, когда звезда в 8-10 тяжелее Солнца исчерпывает свой запас «топлива». При взрыве сверхновой в космос выбрасывается огромное количество материи со скоростями в несколько сотен километров в секунду. Это создает потоки частиц, которые сталкиваются с окружающей средой и вызывают гамма-излучение. При этом сама вспышка сверхновой гораздо менее заметна, чем вызванный ею гамма-всплеск. И хотя к 2023 году астрофизики зарегистрировали уже около 13 000 гамма-всплесков, всего для 45 доказана связь со сверхновыми. Астрофизики НИУ ВШЭ проанализировали, какие ошибки и селективные эффекты могут возникнуть при обнаружении сверхновых, и описали, как их минимизировать.
При исследовании гамма-всплесков сначала приборами космических обсерваторий (Swift, Fermi, INTEGRAL) регистрируется гамма-излучение, и его координаты передаются на Землю. После этого определяют красное смещение, по которому можно вычислить расстояние до их источника источника. Если смещение меньше или равно 0,5, то велика вероятность, что гамма-всплеск был вызван сверхновой, и ученые организуют более детальные наблюдения. Увидеть сверхновую на снимках можно через 5-20 дней после гамма-всплеска, однако если источник слишком далеко от Земли, она может и вовсе не проявиться.
«Если гамма-всплеск можно сравнить с фонарем, то сверхновая похожа на свечу. Она “распыляет” свою энергию во всех направлениях, поэтому не может светить так далеко, как гамма-всплеск, который испускает пучок в одном направлении. И если красное смещение относительно большое и мы можем наблюдать гамма-всплеск, то сверхновая в таком случае может остаться незамеченной» – поясняет Сергей Белкин, автор статьи, аспирант базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН факультета физики ВШЭ.
© InScienceРис. 2. Положение источника GRB 190829A и связанной с ним сверхновой в принимающей галактике.
Место, где произошел всплеск, также важно учитывать. Если он произошел в рукавах, более отдаленных от центра галактики, шанс обнаружить сверхновую будет выше. Но проблему можно решить, если пронаблюдать родительскую галактику еще несколько дней после затухания вспышек, соотнести изображения на разных стадиях активности и удалить саму галактику как фон. Тогда сверхновая вблизи ее ядра останется на виду.
«Если человек будет идти со свечой, то увидеть его будет сложнее, потому что свет будет поглощаться и рассеиваться, при этом человек с фонариком с большей вероятностью будет заметен, – продолжил аналогию Сергей Белкин. – Поэтому, если в родительской галактике сверхновая не видна в конкретном фильтре, имеет смысл наблюдать источник в других фотометрических фильтрах. В них поглощение света может быть ниже, и это позволит выделить сверхновую».
Избежать помех из-за плохой погоды помогла бы единая сеть наблюдений по всему миру, к созданию которой авторы работы призывают коллег. По мнению астрофизиков НИУ ВШЭ, внимания достойны даже, на первый взгляд, не очень значимые случаи: их изучение может принести неожиданные открытия.