Команда ученых из 17 стран, в том числе физиков НИУ ВШЭ, провела анализ новых фотометрических и спектроскопических данных самого яркого гамма-всплеска в истории наблюдений — GRB 221009A. Эти данные были получены в Саянской обсерватории всего через час и 15 минут после его регистрации. Исследователи зафиксировали фотоны с энергией 18 тераэлектронвольт. Теоретически подобные высокоэнергетические частицы не должны достигать Земли, однако анализ собранной информации указывает на возможность этого факта. Полученные результаты ставят под сомнение существующие теории поглощения гамма-излучения и могут свидетельствовать о неизвестных физическах процессах.

Исследование было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics. Гамма-всплески представляют собой одно из самых мощных космических явлений, в ходе которых высвобождается колоссальное количество энергии. Впервые они были зарегистрированы в гамма-диапазоне, что и дало основания для их названия. Эти всплески возникают, когда массивные звезды завершает свой жизненный цикл или сталкиваются нейтронные звезды.

9 октября 2022 года несколько космических гамма-обсерваторий зафиксировали необычайно яркую вспышку в гамма-диапазоне, впоследствии классифицированную как гамма-всплеск GRB 221009A — самый мощный за всю историю наблюдений. Интенсивность этого всплеска была столь высокой, что вызвала сбои в работе гамма-телескопов большинства орбитальных обсерваторий, включая Fermi, INTEGRAL и Конус-Винд. Более того, поток гамма-излучения, обрушившийся на Землю, вызвал значительные возмущения в ионосфере.

Энергия излучения GRB 221009A всего за сто секунд была эквивалентна энергии, излучаемой миллиардом солнц на протяжении 97 миллиардов лет, в то время как возраст Вселенной составляет лишь 13,8 миллиарда лет. События подобного рода происходят крайне редко — примерно раз в тысячу лет. Однако уникальность GRB 221009A заключается не только в его яркости. Его расстояние до нас составляет 2,4 миллиарда световых лет, что относительно близко по космическим меркам. Для сравнения, самый удаленный известный всплеск был зафиксирован на расстоянии около 13,2 миллиарда световых лет. Поэтому это событие вызвало широкий интерес в научном сообществе: уже в 2022 году было опубликовано семь статей, а к настоящему времени — более 200.

Исследователи продолжают детальный анализ данных о GRB 221009A. Международная команда ученых, в которую входят исследователи из НИУ ВШЭ, впервые провела анализ фотометрических и спектроскопических наблюдений, полученных в Саянской обсерватории спустя 1 час и 15 минут после регистрации гамма-всплеска.

Фотометрические и спектроскопические наблюдения являются методами измерения интенсивности электромагнитного излучения в видимом и инфракрасном диапазонах, а также его «цветового состава» (спектра). Первый метод позволяет определить яркость объекта, а второй — выявить химические элементы, присутствующие как в излучающем объекте, так и на пути его света к наблюдателю.

Согласно мнению ученых, данные указывают на продолжительную активность центрального объекта — компактного массивного тела, которое порождает излучение гамма-всплеска. Также отмечается, что окружающая среда вокруг взрыва изменялась от плотной, сформированной звездным ветром, до разреженной, похожей на межзвездное вещество.

Особый интерес исследователей вызывают фотоны с энергией 18 тераэлектронвольт (ТэВ), зарегистрированные от источника GRB 221009A высокогорной обсерваторией LHAASO. Теоретически такие высокоэнергетические фотоны не должны были бы регистрироваться из-за их взаимодействия с оптическими фотонами в межгалактической среде на пути к наблюдателю, однако по каким-то причинам они все же достигли Земли. Анализ показал, что регистрация фотонов с энергией 18 ТэВ представляется маловероятной в рамках существующих моделей межгалактического фонового излучения. Зафиксировать такие фотоны от источников гамма-всплесков до сих пор считалось уникальным событием.

«Регистрация высокоэнергетичных фотонов дает возможность проверить фундаментальные законы физики, включая, к примеру, принцип постоянства скорости света. Однако пока беспокоиться не стоит, так как эффект регистрации таких высокоэнергетических фотонов можно объяснить неопределенностью модели межгалактического фонового излучения, а не нарушением Лоренц-инвариантности — основополагающего принципа, согласно которому скорость света остаётся постоянной во всех системах отсчета», — комментирует Сергей Белкин, аспирант базовой кафедры физики космоса Института космических исследований РАН факультета физики НИУ ВШЭ.

Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не выяснено. Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Статья с результатами опубликована в журнале «Цифровая наука», 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы (С-26/591).

Базальт – это наиболее распространенная порода в составе земной коры. По своей сути это магма, излившаяся из жерл вулканов и застывшая камнем. Его месторождения есть практически во всех странах, их запасы огромны, поэтому использование такого материала в промышленности экономически выгодно.

Благодаря своим уникальным свойствам и сравнительной дешевизне базальт – один из самых востребованных материалов. Он экологически чистый, не горит и выдерживает температуры до 400℃, прочен, устойчив к механическим и химическим воздействиям. Базальтовые волокна широко применяются в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой отрасли, строительстве и медицине. Они используются при армировании бетона, производстве цистерн и баллонов, протезов, конструировании элементов морских судов и трубопроводов.

Чем надежнее материал, тем шире сфера его применения. Научное сообщество активно исследует способы повышения прочности современных композитов, используя в том числе гамма-облучение. Уже известно, что оно может улучшить упругие и прочностные характеристики базальт-композита. Однако существует риск деструктивных изменений, поэтому важно разобраться, как именно гамма-кванты воздействуют на структуру композита в микромасштабе.

– Мы облучили образцы композиционного материала, состоящего из эпоксидного связующего и базальтового ровинга (жгута из волокон). С помощью сканирующей электронной микроскопии изучили локальный элементный состав композита при нарастающих дозах облучения, – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Владимир Онискив.

Ученые выделили три группы образцов. Первая не облучалась, а использовалась для сравнения характеристик. На остальные воздействовали гамма-квантами в различных дозах (5, 10 и 15 Мрад). Время испытания зависело от запланированной дозы, например, до 15 Мрад образец облучался в течение 14 дней.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что радиационное воздействие меняет состав материала. При дозе в 5 Мрад массовая доля углерода в эпоксидной части резко снижается, но увеличивается доля кислорода и появляется кремний. В базальте, наоборот, доля углерода увеличивается, а кислорода и кремния – снижается. Это говорит о том, что в материале формируются новые межмолекулярные связи (сшивка) с образованием органо-силикатно-кремниевых соединений, что приводит к упрочнению композита.

При дальнейшем облучении до 10 Мрад сшивка продолжается, но ее скорость заметно снижается. Поглощаемая энергия облучения становится уже избыточной. Доза 15 Мрад приводит к обратному процессу – деструкции композита.

Исследование ученых Пермского Политеха позволяет на молекулярном уровне обосновать, как гамма-кванты влияют на базальт-композиты. Политехники рекомендуют такой способ модификации материала для его упрочнения. Однако доза облучения не должна превышать 10 Мрад, а мощность излучения – 12 рад/сек. Результаты исследования помогут создавать ответственные изделия с улучшенными механическими свойствами.

– Принцип воздействия гамма-излучения состоит в следующем: есть ядро атома, вокруг него находится электронная оболочка, гамма-кванты, взаимодействуя с ней, возбуждают ее, при этом некоторые из электронов покидают электронную оболочку. Таким образом, атом становится активным и готовым к взаимодействию. Такие атомы называют свободными радикалами. В зависимости от химических свойств и структуры материала происходит межмолекулярное сшивание либо деструкция. Если молекулы образуют новые связи, плотность молекулярной решетки увеличивается, а свойства материала изменяются, – объясняет Владимир Онискив.

Но если доза облучения слишком велика, межмолекулярные и межатомные связи рвутся, что резко снижает прочностные свойства материала и может полностью разрушить его. Один из вариантов борьбы с болезнетворными микроорганизмами и онкологическими заболеваниями состоит в деструктивном воздействии на генетический аппарат клеток, то есть в разрушении связи в молекуле ДНК таким образом, чтобы нарушить механизм ее деления.

Стерилизация медицинских изделий

Хирургические инструменты, медицинские перчатки, шприцы, бинты – все они в целях безопасности пациентов должны быть стерильными, т.е. обеззаражены, очищены от микроорганизмов. Убить вредоносные бактерии, грибы и вирусы, вызывающие различные заболевания, способна обработка гамма-лучами.

– Кроме радиационной существует еще химический (при помощи специальных растворов и газа) и термический (при помощи горячего воздуха или пара) способы стерилизации. Однако, например, изделия из пористых материалов можно стерилизовать только гамма-лучами. Причина в том, что закрытые поры находятся внутри материала, а жидкость и газ не могут в них проникнуть. В частности, по этой причине 40% медицинских изделий за рубежом стерилизуются именно радиационным воздействием. Кроме того, этот способ обеззараживания очень технологичен (изделия стерилизуются в упаковке) и экологичен, – рассказывает эксперт ПНИПУ.

Поиск полезных ископаемых

Гамма-излучение служит инструментом в области добычи полезных ископаемых – с его помощью исследуют геофизические параметры скважин. Эта процедура, называемая гамма-каротажем, применяется для обнаружения потенциально нефтяных и газовых пород, изучения характеристик пластов, оценки концентрации железа, олова, свинца и других тяжелых металлов.

Для этого в скважину опускают специальный геофизический зонд с детектором гамма-излучения. Поскольку многие горные породы в той или иной степени радиоактивны, они излучают особые частицы – гамма-кванты. Детектор считывает их, преобразует в электрический сигнал и передает его исследователям в каротажную станцию на поверхности. Этим методом чаще всего определяют глинистость пород, наличие в ней различных полезных элементов, разделение скважины на пласты.

Кроме того, существует метод гамма-гамма-каротажа, при котором породы облучают искусственно. Технологию обычно применяют на нефтяных, газовых и угольных месторождениях. В скважину погружают зонд, состоящий из источника гамма-излучения, свинцового экрана и детектора. Источник облучает породу на интересующем участке скважины, она становится радиоактивной и начинает излучать гамма-кванты в ответ, зонд регистрирует их и отправляет сигнал на верх. Свинцовый экран нужен для того, чтобы излучение источника не искажало показания и не мешало детектору.

Этот метод позволяет более эффективно измерять параметры пород, поскольку иногда их естественное излучение может быть слишком слабым и не считываться детектором.

Модификация материалов

Как отмечает ученый ПНИПУ, существует и активно развивается целое направление по изучению воздействия гамма-лучей на различные материалы: пластики, композиты на основе базальта и каучука, сверхвысокомолекулярный полиэтилен и другие.

– Мы проводим исследования по изучению влиянию гамма-излучения на свойства базальтового композита. Базальт – уникальный материал, дешевый и доступный, не гниет и не окисляется. Его широко применяют в автомобиле- и судостроении, строительстве, нефтегазовой отрасли и медицине. Из базальтокомпозита делают понтоны и волнорезы, автомобильные тормозные колодки и диски сцепления, протезы тазобедренного и коленного суставов человека и многое другое. Подвергая базальтокомпозит различным дозам облучения, мы тем самым меняем его прочностные и механические свойства, трансформируя материал в соответствии с потребностями, можем делать его более прочным, жестким или упругим, – делится Владимир Онискив, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ.

Похожим образом модифицируют свойства полиэтилена, из которого создают изделия с эффектом памяти формы. Их применяют в электротехнической, кабельной, строительной и ряде других отраслей.

Гамма-лучи могут быть как источником опасности, так и незаменимым инструментом во многих отраслях человеческой деятельности – от промышленности до медицины. Область их применения обширна, и ученые продолжают вести исследования в данном направлении, находя новые способы применения гамма-лучей и изучая их воздействие на перспективные материалы.

Это - атмосферные черенковские телескопы, и предназначены они для наземной гамма-астрономии. Они регистрируют слабые вспышки черенковского излучения в ночном небе. Это излучение появляется во время каскадных процессов в верхних слоях атмосферы, когда в неё попадают космические лучи с энергией выше сотен ГэВ или гамма-кванты с энергией больше ТэВ.

Черенковское излучение собирается зеркалами и фокусируется на регистрирующей камере, состоящей из 500-600 фотоэлектронумножителей. В результате от каждой вспышки регистрируется некое изображение события, пространственное распределение амплитуд света.

Из данных выделяются события, относящиеся к гамма-квантам, которые прилетели от далёких астрофизических объектов (пульсары и их туманности, активные ядра галактик).

В настоящее время запущены три таких телескопа, также работает сеть широкоугольных оптических станций TAIGA-HiSCORE. К 2024 году планируется запустить четвёртый телескоп (зелёная платформа на последней фотографии). В перспективе планируется расширить астрофизический комплекс до площади 10 км², нынешняя площадь комплекса составляет 1,2 км².