Гамма-вспышки относятся к самым ярким и плохо изученным явлениям во Вселенной. Гамма-излучение само по себе является самым высокоэнергетическим, а во вспышках оно достигает пика. Оно также обычно сопровождается мощным излучением в рентгеновском диапазоне, а после ослабления основного излучения остается еще остаточное свечение в оптическом и радиодиапазоне. В наблюдении гамма-вспышек флагманами выступают орбитальные телескопы – Свифт и Ферми. В среднем за стуки удается зафиксировать одну новую мощную гамма-вспышку. На их счет в числе прочих записаны три вспышки, изучение которых привело к новым выводам об их возможных источниках. Смерть огромной звезды, превышающей Солнце размерами в сотни раз, способно породить излучение, которое легко спутать с явлениями, захватывающими целые галактики или сверхмассивные черные дыры.

«Мы видели тысячи гамма-вспышек в течение последних четырех десятилетий, но только недавно получили возможность разглядеть мощь этих явлений в деталях», – говорит глава одной из двух групп астрономов, сделавших открытие, сотрудник Французского центра научных исследований Брюс Жандр. До запуска орбитальной обсерватории Свифт в 2004 году инструменты, работающие в космосе, имели недостаточную чувствительность для изучения относительно долгих вспышек. Обычно гамма-вспышки как раз делятся на долгие и короткие. Короткие редко продолжаются более двух секунд. Их источник – столкновение двух небольших, но тяжелых объектов двойной системы. Здесь главную роль играют черные дыры и нейтронные звезды. Долгие гамма-вспышки могут продолжаться до нескольких минут, но обычно не выходят из пределов 20-50 секунд. Источник такой вспышки – завершающий этап смерти массивной звезды, когда вся ее материя падает к центру светила, образуя новую черную дыру. В обоих типах вспышек их сопровождают струи околосветовых частиц, вырывающихся из центра события в противоположные стороны. Взаимодействие этих струй с материей, окружающей звезду, приводит к мощному излучению.

Команда Жандра провела наблюдение гамма-источника GRB 111209A от 9 декабря 2011 года, используя основные спектральные каналы – гамма и рентгеновский, а также оптический для наблюдения остаточного свечения. Продолжительность вспышки была уникальной – целых семь часов, что выдвигает GRB 111209A в рекордсмены. Другая долгая вспышка GRB 101225A наблюдалась в декабре 2010 года, но ее продолжительность составила два часа – по-прежнему очень много для таких явлений. Расстояние до вспышки было неизвестно, что привело к двум противоположным интерпретациям ее причины. По одной версии, это было падение кометы или астероида на нейтронную звезду в пределах Млечного пути, по другой – столкновение в экзотической двойной системе на расстоянии 3.5 миллиардов световых лет. «Сейчас мы знаем, что рождественская вспышка имела место намного дальше, практически на половине пути к краю наблюдаемой Вселенной, и, таким образом, была еще и намного более мощной, чем в начальных гипотезах», – говорит Эндрю Леван, сотрудник Университа Уорика. Используя один из телескопов обсерватории Джемини, команда Левана получила спектральную картину галактики, в которой произошла вспышка GRB 101225A. За счет выделения в этом спектре характерных линий излучения водорода и кислорода и определения их сдвинутого положения было установлено расстояние до GRB 101225A – 7 миллиардов световых лет.

Наконец, третья вспышка, GRB 121027A, также изученная командой Левана, имела место 27 октября 2012 года. Все три указанные вспышки имеют очень похожие излучения в рентгеновской, оптической и гамма-областях спектра и все произошли в центральных частях своих галактик – небольших образований с активным звездообразованием. Поэтому все три вспышки были выделены в отдельную группу особенно долгих явлений.

Этот класс является продолжением класса типичных долгих вспышек. Они происходят при смерти крупной звезды, имеющей массу до 25 солнечных. Масса звезды должна быть достаточно большой, чтобы она могла пережить энергетический кризис, когда в ее ядре кончается топливо для термоядерной реакции. В результате под действием собственного веса звезда падает к центру, но часть материи при этом приобретает столь высокую кинетическую энергию, что оказывается способной избежать гравитации и вырваться наружу в виде известных потоков очень быстрых частиц. Размер и плотность звезды ограничены сверху, иначе приобретшие высокую скорость частицы не смогут убежать из нее, сталкиваясь по дороге со все новыми слоями крупного светила и теряя энергию.

Подходящим кандидатом на очень долгие гамма-вспышки являются, соответственно, очень крупные звезды. Масса звезд должна быть в двадцать раз больше солнечной, но при этом она должна сохранить большую часть своей водородной атмосферы, которая обычно теряется гигантской звездой в виде мощного солнечного ветра. Благодаря атмосфере размер звезды может превысить солнечный в сотни раз. Большое количество водорода, распределенное на большом удалении от центра звезды, может падать на нее несколько часов во время последнего этапа смерти светила – как раз столько, чтобы объяснить троих рекордсменов. Отдельную роль могут играть в этом процессе все элементы тяжелее гелия, часто именуемые металлами в астрономии. Голубые гиганты обычно практически лишены металла. Примерно три четверти долгих гамма-вспышек имеют место в галактиках с активным звездообразованием, но низким содержанием тяжелых элементов. Для галактик с высоким содержанием металлов частота появления таких вспышек в 25 раз ниже. Для нас это хорошая новость. Наша галактика стара, а значит, в ней высоко содержание тяжелых элементов, образующихся в недрах звезд. Поэтому вероятность близкой и разрушительной для Земли гамма-вспышки очень низкая. Скорее всего это связано с усилением солнечного ветра на звезде с тяжелыми элементами, в результате чего к моменту смерти у нее оказывается слишком мало материала для мощной и долгой вспышки. То небольшое число долгих вспышек, которые наблюдаются в старых галактиках, скорее всего имеет место в двойных системах, где умирающая звезда может позаимствовать массу у собрата.