Гамма-всплески (ГВ) представляют собой мощные, кратковременные выбросы гамма- и рентгеновского излучения из далёкого космического источника. Гамма-всплески являются самыми высокоэнергетическими событиями во Вселенной и могут длиться от одной сотой секунды до почти десяти секунд. ГВ обычно регистрируются орбитальными космическими аппаратами один или два раза в день идущими с разных космических направлений. Они были впервые обнаружены совершенно случайно в середине 1967 г. несколькими военными спутниками «Вела», созданными для контроля за соблюдением условий Соглашения о запрете на испытания ядерного оружия («Московский договор»). Это открытие, однако, держалось в тайне от учёных, не располагавшим соответствующим допуском к секретным материалам, вплоть до 1973 г.

Гамма-всплески можно разделить на две категории: короткие всплески, которые длятся от нескольких миллисекунд до примерно двух секунд и испускают излучение очень высокой энергии, и длинные всплески, которые длятся от двух до нескольких десятков секунд и являются источниками гамма-излучения значительно меньшей энергии.

Короткие гамма-всплески

Короткие гамма-всплески, как правило, длятся меньше одной секунды (в среднем 0,3 сек), и считается, что их источники отличаются от источников длинных гамма-всплесков. Наиболее убедительные модели, впервые предложенные Мартином Ризом в 1990-х, включают слияние двух нейтронных звёзд или, как альтернативный вариант, нейтронной звезды и чёрной дыры. Это приводит к высвобождению огромного количества гравитационной потенциальной энергии. Отсутствие достаточного количества материи вокруг такой системы приводит к тому, что выделение энергии прекращается сразу по завершении процесса объединения; поэтому наблюдаемое событие оказывается кратковременным.

Также можно ожидать, что перед таким слиянием его участники должны были вести довольно бурную совместную жизнь, пройдя, каждый в свою очередь, через фазу взрыва сверхновой, чтобы достигнуть состояния нейтронной звезды. Эти взрывы могли стать идеальным механизмом выталкивания пары звёзд из их родительских галактик. Поэтому в теориях предполагается, что за миллиарды лет, требующиеся нейтронным звёздам для осуществления слияния, они могли удалиться далеко в межгалактическое пространство. По-видимому, именно это имело место в случае с GRB 050509b – коротким ГВ, наблюдавшимся в 2005 г.

Длинные гамма-всплески:

В настоящее время принято считать, что продолжительные гамма-всплески представляют собой выброс энергии в форме узких струй (релятивистских джетов) в процессе, получившем название «гиперновая» (очень мощная сверхновая), который включает в себя окончательную гибель звёзд, начинавших свою жизнь с массами, от 40 до 100 раз превышавшими массу нашего Солнца. В таких случаях оставшееся ядро звезды моментально коллапсирует с образованием чёрной дыры.

Тесная связь между длинными гамма-всплесками и сверхновыми типа Ib/c указывает на то, что звёздными прародителями всплесков в подавляющем большинстве случаев являются быстровращающиеся звёзды Вольфа-Райе. Высокий угловой момент таких звёзд заставляет коллапсирующий объект формировать аккреционный тор вокруг быстровращающейся чёрной дыры. Области, расположенные вдоль оси вращения, стремительно (за несколько секунд) очищаются от обломков, позволяя энергии высвобождаться в форм двух струй, направленных вдоль этой оси. Если Земле посчастливилось находится на линии прямой видимости таких событий, то она получает большие дозы гамма-радиации. Если Земля лежит не на направлении оси вращения, тогда будет наблюдаться рентгеновская вспышка, обусловленная тем, что релятивистский джет и сопровождающая его ударная волна взаимодействуют с материей, выброшенной ранее звёздным ветром звезды-источника.

Длинные гамма-всплески были обнаружены в основном в небольших галактиках неправильной формы, где звёзды преимущественно состоят из лёгких элементов. Их возникновение в нормальных спиральных галактиках, таких как Млечный путь, может быть очень редким событием.

Наблюдения длинных ГВ:

В 1997 г. итало-голландский спутник BeppoSax, используя узкоугольную рентгеновскую камеру, смог определить положение некоторых из длинных гамма-всплесков достаточно точно для того, чтобы их послесвечения были позднее обнаружены оптически. Первый оптический спектр ГВ, полученный учёными из обсерватории Кека, показал, что объект лежит примерно на полпути до границ наблюдаемой Вселенной, поэтому энергия, выделяющаяся при взрыве, должна быть просто колоссальной, чтобы сообщить объекту ту яркость, с которой он наблюдался с земной орбиты. В течение нескольких секунд гамма-всплеск выделил большее количество энергии, чем выделяет миллион галактик, подобных Млечному пути.

23 января 1999 г. длинный ГВ был впервые запечатлён в процессе развития. Детекторы, установленные на борту орбитальной космической обсерватории «Комптон» НАСА, определили местоположение события, а 22 секунды спустя эксперимент Robotic Optical Transient Search Experiment (ROTSE) в Лос-Аламос, Нью-Мексико, сделал снимки участка неба, где находился источник излучения. Этот источник, названный GRB 990123, оказался настолько ярким в оптическом диапазоне, что его без труда можно было рассмотреть в любительский телескоп, но тем не менее спектр, снятый с использованием телескопа “Кек II” на следующую ночь, показал, что расстояние до объекта составляло целых 9 миллиардов световых лет.

Один всплеск, произошедший в 1998 г., был отслежен до области, лежащей неподалёку от центра его родительской галактики, где с огромной частотой происходило образование новых звёзд. Это стало весомым аргументом в пользу представления о том, что источниками гамма-всплесков становятся взрывы, вызванные гибелью очень молодых, массивных звёзд. Затем, в 2001 г., наблюдения рентгеновского послесвечения ГВ обсерваторией XMM-Newton представили неоспоримые доказательства этих идей. Спектральный анализ места взрыва в галактике, находящейся от нас на расстоянии в 10 миллиардов световых лет, выявил следы элементов: магния, кремния, серы, аргона и кальция – несущихся в нашу сторону со скоростью в одну десятую скорости света. Эти лёгкие элементы и именно такая скорость расширения являются признаками, предсказанными для мощных взрывов сверхновых, в которых рождаются чёрные дыры. В октябре 2002 г. учёные смогли изучить послесвечение, оставшееся от ГВ, спустя всего девять минут после вспышки, благодаря точному координированию и быстрому отклику систем наземных телескопов по обнаружении вспышки инструментом HETE (High-Energy Transient Explorer satellite).