Найяскравіший гамма-спалах у космосі може дати підказки про природу темної матерії

Рекордний гамма-спалах і загадкова частинка

9 жовтня 2022 року астрономи зафіксували найпотужніший гамма-спалах за всю історію спостережень, що дістав неофіційну назву BOAT (brightest of all time — «найяскравіший за весь час»). Подія привернула увагу не лише безпрецедентною яскравістю: під час неї вдалося зафіксувати фотон надзвичайно високої енергії, який, на думку деяких дослідників, може вказувати на існування загадкової темної матерії [1].

Обсерваторія Ніла Герельса Свіфта НАСА виявила рентгенівські промені від початкового спалаху GRB 221009A протягом тижнів, коли пил у нашій галактиці розсіював світло назад до нас, показане тут довільними кольорами. Зображення: https://science.nasa.gov/universe/gamma-ray-bursts-harvesting-knowledge-from-the-universes-most-powerful-explosions/

Інтенсивність випромінювання була такою, що навіть космічний телескоп Fermi тимчасово «захлинувся» у потоці даних, оскільки сенсори не встигали обробляти рекордну кількість гамма-квантів. Крім того, потужний імпульс протягом кількох годин змінював характеристики іоносфери — верхнього шару земної атмосфери, відповідального зокрема за поширення радіохвиль. Такий вплив далекої події на навколоземний простір учені назвали безпрецедентним.

Розташування джерела спалаху оцінюють у ≈ 2,4 мільярда світлових років, що відносно небагато за космічними мірками й пояснює виняткову яскравість у наших приладах. Завдяки близькості та тому, що вузький джет був спрямований майже точно на Землю, BOAT став унікальним «натурним експериментом» для вивчення поведінки надмасивних зірок у момент колапсу, механізмів запуску релятивістських струменів та взаємодії наденергійних частинок із міжзоряним середовищем.

Гамма-спалах BOAT: унікальність події та її наслідки

Гамма-спалахи виникають, коли масивна зоря руйнується, народжуючи чорну діру або нейтронну зорю. За долі секунди сформований об’єкт «вистрілює» вузьким пучком випромінювання, який може світити яскравіше за цілу галактику. Саме такий колосальний струмінь, спрямований у наш бік, і спостерігали під час BOAT. Його сила була настільки великою, що телескоп Fermi продемонстрував перенасичення, фіксуючи тисячі фотонів щосекунди [2].

Художнє уявлення вибуху зірки

Водночас спалах спричинив помітне «набухання» іоносфери, що підтвердило здатність екстремальних космічних явищ впливати на навколоземне середовище. «Факт, що подія за межами нашої Галактики здатна змінити стан атмосфери Землі, сам по собі вражає», — зауважує канадський астроном Дуг Велч із Університету Макмастера [1]. Це відкриває нові горизонти у дослідженні як самих гамма-спалахів, так і їхнього впливу на технології зв’язку та навігації, що залежать від стану іоносфери.

Виявлення надзвичайно високих енергій: феномен LHAASO

Найважливішу знахідку після цього спалаху зробили в Китаї, в провінції Сичуань, за допомогою комплексу LHAASO — обсерваторії, що розташована на висоті понад 4410 м і поєднує понад 5200 водо-черенковських детекторів та тисячі сцинтиляторів для реєстрації каскадів частинок у верхніх шарах атмосфери. Завдяки своєму широкому полю зору й великій площі цей інструмент «бачить» майже все небо й може фіксувати як космічні промені, так і наденергійні γ-фотони. Під час події BOAT масив LHAASO зареєстрував приблизно 5000 високоенергетичних фотонів, тоді як у попередніх гамма-спалахах фіксували лише кілька сотень.

LHAASO в провінції Сичуань на південному заході Китаю. Зображення: https://physicsworld.com/a/huge-chinese-cosmic-ray-observatory-begins-operation/

Один із них мав колосальну енергію ~18 ТеВ — утричі-вчетверо вищу за попередній рекордний показник для GRB 190114C (≈5 ТеВ) і навіть більшу за максимальну енергію, яку отримують протони у ВАК на кордоні Франції та Швейцарії [3]. При такій енергії фотон, рухаючись 2,4 млрд р., мав би багато разів «зіткнутися» з фотонами фонового інфрачервоного й мікрохвильового випромінювання та зникнути шляхом народження електрон-позитронної пари. За сучасними моделями оптична товща Всесвіту для 10–20 ТеВ фотонів на червоному зміщенні z≈0,15 (орієнтовна відстань до BOAT) настільки велика, що ймовірність «дожити» до Землі майже нульова. Саме тому виявлений сигнал поставив гостре запитання: чи ми спостерігаємо нову фізику — наприклад, перетворення γ-квантів на аксіоноподібні частинки в магнітних полях колапсара, їхню безперешкодну подорож через космос і зворотну конверсію в нашій галактиці — чи ж маємо справу з дуже рідкісним статистичним збігом або неврахованим фоновим ефектом [4].

Темна матерія як можливе пояснення: гіпотеза про аксіони

Одним із можливих пояснень цієї загадки є існування гіпотетичних частинок — аксіонів та ширшого класу аксіоноподібних частинок. Аксіон уперше запропонували Роберт Пекке та Гелен Квінн 1977 року як елегантне вирішення «проблеми сильної CP-симетрії» у квантовій хромодинаміці. Завдяки своїй мізерній масі й украй слабкій взаємодії з речовиною такі частинки природно розглядають як кандидатів на холодну темну матерію Всесвіту. Аксіоноподібні частинки розширюють цю ідею: вони можуть бути трішки важчими й мати різний ступінь зв’язку зі світлом, тому часто з’являються у багатьох теоріях «нової фізики» поза Стандартною моделлю [5].

Найважливіша для феномену BOAT властивість цих частинок полягає в тому, що вони можуть перетворюватися на гамма-фотони і знову ставати невидимими аксіонами в сильних магнітних полях. Навколо колапсуючих надмасивних зірок такі поля настільки потужні, що частина жорсткого гамма-випромінювання, яке утворюється під час спалаху, може «замаскуватися» під аксіони й уникнути поглинання міжзоряним світлом. Подорожуючи космосом практично без втрат, аксіони вже у магнітних лініях нашої Галактики знову перетворюються на фотони — саме так, імовірно, й з’явився «неможливий» 18-тераелектронвольтний фотон, зафіксований установкою LHAASO [5].

Абстрактна візуалізація аксіоноподібної частинки: хвиля енергії, що розчиняється в темряві космосу, з тонким слідом світла як натяком на її взаємодію з фотоном.

Італійський астрофізик Джорджо Галанті (INAF) одним із перших опублікував попередню кількісну модель такого «переключення» фотон ↔ аксіон для спалаху BOAT на arXiv. Він показав, що для реалізації сценарію достатньо цілком реалістичних значень магнітних полів і слабкого зв’язку між аксіоном і світлом — параметрів, які не суперечать чинним експериментальним обмеженням. Якщо подальший аналіз підтвердить, що 18-ТеВ фотон справді прийшов саме зі спалаху BOAT, це стане найсильнішим натяком на існування аксіонної темної матерії й відкриє нове «вікно» для космології: надпотужні гамма-спалахи зможуть слугувати своєрідними «космічними прискорювачами» та природними лабораторіями для пошуку нової фізики [1, 5].

Скептичні погляди і альтернативні гіпотези

Однак серед науковців є й скептики. Приміром, астрофізик Мілена Црногочевич з Університету Меріленда застерігає, що виявлений 18-теравольтний фотон може виявитися просто статистичним «шумом», не пов’язаним із самим гамма-спалахом. За її словами, у детекторах великої площі постійно реєструються космічні промені випадкового походження, і збіг у часі ще не означає причинного зв’язку. Подібної думки дотримуються й інші дослідники, наголошуючи, що команда LHAASO досі не опублікувала повного масиву сирих даних і детального аналізу систематичних похибок, необхідних для незалежної перевірки.

Песимізму додає той факт, що попередні рекордні спостереження високих енергій від гамма-спалахів — наприклад, GRB 190114C та GRB 201216C — потім піддавалися суворій ревізії і нерідко знижували оцінку енергії через уточнені моделі міжгалактичного поглинання. Тож доки шляхи перевірки через інші наземні масиви (HAWC у Мексиці, Tibet ASγ у Китаї) і космічні обсерваторії не підтвердять сигнал незалежно, більшість фахівців утримуються від гучних заяв. «Нас приваблює можливість відкрити нову фізику, але спершу потрібно зняти всі підозри щодо фонових подій та інструментальних ефектів», — узагальнює Ерік Бернс з Університету штату Луїзіана [1].

Перспективи подальших досліджень

Подія BOAT дала астрономам справжній «золотий рудник» даних, який вивчатимуть десятиліттями. За оцінкою Еріка Бернса з Університету штату Луїзіана, обсяг і різноманіття зібраної інформації — від рентгенів і гамма-променів до радіохвиль — створюють підґрунтя для відкриття цілком нових фізичних явищ і, можливо, розкриття таємниць темної матерії [1, 2]. Уже перші багатохвильові аналізи показали, що спектр і поляризація випромінювання BOAT виходять за рамки стандартних моделей, тож дослідники очікують уточнити структуру джета, розподіл магнітних полів і механізми прискорення частинок майже до швидкості світла.

Крім того, рекордно потужний спалах став унікальним полігоном для порівняння різних «посмертних» сценаріїв масивних зір. Чому лише невеликий відсоток колапсарів породжує гамма-спалахи? Які характеристики надмасивної зорі — швидкість обертання, вміст важких елементів, потужність магнітного динамо — визначають, чи народиться чорна діра або нейтронна зоря? Дані BOAT уже натякають на чорнодірковий фінал, адже енергія та колімація джета відповідають розрахункам для швидкого акреційного диска навколо новонародженої чорної діри. Однак остаточні висновки потребують багаторічного моделювання з урахуванням усіх каналів спостережень — від високочастотної радіоінтерферометрії до майбутніх наземних черенковських масивів.

Художня інтерпретація народження чорної діри після колапсу масивної зорі: гарячий акреційний диск і потужні джети випромінювання стають джерелом сигналів для багатохвильових телескопів майбутнього

Перспективи відкриті й для суміжних галузей. Якщо гіпотеза про аксіоноподібні частинки одержить підтвердження, гамма-спалахи на кшталт BOAT перетворяться на природні «прожектори» для тестування нової фізики: їхнє наджорстке випромінювання проходитиме крізь космос, залишаючи відбиток взаємодії з темною матерією, інфрачервоним фоном і навіть гравітаційними хвилями від спів­колапсу ядра. Таким чином, BOAT уже сьогодні ставить амбітні цілі перед майбутніми обсерваторіями — від орбітального телескопа Athena до масивів Cherenkov Telescope Array та IceCube-Gen2 — і фактично відкриває нову епоху мультимесенджерної астрофізики.

Отже, найяскравіший спалах за всю історію спостережень не лише вразив своєю силою, а й проклав шлях до глибших відповідей про зародження чорних дір, еволюцію надмасивних зір і природу невидимої матерії, яка домінує у Всесвіті.

Список використаних джерел:

1. O'Callaghan J. Brightest-Ever Space Explosion Reveals Possible Hints of Dark Matter : стаття // Quanta Magazine. 26.10.2022. URL: https://www.quantamagazine.org/brightest-ever-space-explosion-could-help-explain-dark-matter-20221026/ (дата звернення: 05.07.2025).

2. Gamma-ray bursts : інформаційна сторінка // NASA Science — Fermi Gamma-ray Space Telescope. URL: https://science.nasa.gov/universe/gamma-ray-bursts-harvesting-knowledge-from-the-universes-most-powerful-explosions/(дата звернення: 05.07.2025).

3. Cao Z., Aharonian F. A., An Q. та ін. Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources // Nature. 2021. Vol. 594. P. 33–36. DOI: 10.1038/s41586-021-03498-z (дата звернення: 05.07.2025).

4. Astroparticle physics at DESY : офіц. сайт // Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). URL: https://www.desy.de/research/astroparticle_physics/index_eng.html (дата звернення: 05.07.2025).

5. Galanti G., Nava L., Roncadelli M., Shilon I. Observability of the Very-High-Energy Emission from GRB 221009A // Physical Review Letters. 2023. Vol. 131, No. 25. Article 251001. URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251001 (дата звернення: 05.07.2025).