Физики воспроизвели в лаборатории одну из ярчайших вспышек во Вселенной

Учёным удалось воссоздать в лабораторных условиях миниатюрную копию гамма-всплеска – грандиозного космического события, природа которого давно интересует астрономов. В этом физикам помог один из самых мощных лазеров на Земле. О достижении сообщается в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Гамма-всплеск – это вспышка гамма-излучения длительностью от 1 до 100 секунд. Энергия, которая выделяется в этом катаклизме, в одних только гамма-лучах составляет 10⁵⁰ эрг. Для сравнения: вся Галактика в этом диапазоне излучает в секунду в сто раз меньше энергии!

Какие процессы приводят к столь масштабной иллюминации? Несмотря на то, что гамма-всплески наблюдаются примерно раз в сутки, их природа всё ещё не известна учёным. Проблем добавляет то, что эти события имеют разную продолжительность и зависимость интенсивности излучения от времени (кривую блеска, как говорят астрономы).

Разнообразие гамма-всплесков наводит на мысль, что они делятся на несколько видов, порождаемых различными источниками. В 2017 году произошло выдающееся событие, о котором "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали: удалось отождествить короткий гамма-всплеск с источником гравитационных волн. Тем самым было доказано, что по крайней мере некоторые из этих событий – это столкновения нейтронных звёзд.

Какие ещё существуют версии? Мейнстримом является гипотеза, что дело во вспышке сверхновой. При определённых условиях (высокая плотность звезды перед взрывом, её быстрое вращение и так далее) энергия выделяется не равномерно во все стороны, а в узкий конус, напоминающий джет квазара.

Если материи внутри этого конуса мало (порядка массы планеты), то давление излучения ускорит частицы этого вещества почти до скорости света. При этом должно возникнуть мощнейшее магнитное поле. Электроны и позитроны (их "двойники" из антиматерии), вращаясь в этом поле, высвечивают свою огромную энергию в гамма- и жёстком рентгеновском диапазоне.

Если конус направлен прямо на Землю, гамма-телескопы зафиксируют мощный всплеск излучения. А такой всплеск – как раз то, что наблюдают астрономы.

Однако всё это по большей части теоретические модели. Физикам неизвестно, как на самом деле ведёт себя электрон-позитронная плазма в таком пучке и получится ли в итоге излучение с нужными характеристиками.

Большая команда исследователей во главе с Джанлукой Сарри (Gianluca Sarri) из Университета Квинс в Белфасте решила по возможности восполнить этот пробел в знаниях. Правда, в лаборатории затруднительно взорвать сверхновую, поэтому авторы придумали миниатюрную модель процесса.

Учёным помог один из мощнейших на Земле лазеров – Gemini. В импульсах продолжительностью всего 30 фемтосекунд достигается впечатляющий поток излучения: 10²¹ ватт на квадратный сантиметр. То есть на квадратный метр приходилось бы 10% полной светимости Солнца!

Облучая мишень с помощью такого лазера, авторы создали узкий пучок электронов и позитронов, имитирующий джет при взрыве сверхновой. Используя быстродействующие детекторы, исследователи зафиксировали поведение магнитного поля, которое порождается такой струёй.

К большой радости учёных, основные теоретические предположения о величине и распределении такого поля оказались правильными. Так независимый лабораторный эксперимент подтвердил астрономическую модель, рождённую на кончике пера. Окончательная разгадка природы гамма-всплесков стала на шаг ближе.

К слову, мы уже писали о том, как в лабораториях в уменьшенном масштабе воспроизводятся грандиозные космические процессы. Например, мы рассказывали о том, как были воссозданы алмазные дожди планетарных недр и процесс образования органики в межзвёздной среде.

Говорили мы и об астрономических наблюдениях гамма-всплесков, например, об их оптическом излучении и о ярчайшем таком событии в истории.