| |
 Стенограмма эфира
Космические гамма-всплески на протяжении 30 лет остаются самым загадочным явлением в астрофизике. Превосходя по своей взрывной светимости все, что происходит в наблюдаемой Вселенной, они являются одним из самых дерзких вызовов ученым и продолжают преподносить сюрпризы. О почти детективной истории исследования гамма-всплесков — астрофизики Борис Штерн и Алексей Позаненко.
Участники:
Алексей Позаненко — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН
Борис Штерн — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрофизического центра ФИАН им. Лебедева
Материалы к программе:
Из статьи: Б. Штерна. Гамма-всплески: секундные катастрофы галактического масштаба.
60-е годы были самыми урожайными на сенсационные открытия в астрономии уходящего века. Не говоря о фундаментальнейшем открытии реликтового излучения, это три явления, каждое из которых в то или иное время вызвало шок: квазары, пульсары и гамма-всплески. Но если квазары и пульсары были быстро поняты хотя бы в самых общих чертах, гамма-всплески водили исследователей за нос почти тридцать лет, да и сейчас остаются почти непонятыми.
Гамма-всплески — ярчайшее явление. Сильные всплески можно зарегистрировать детектором размером с монету (например, маленьким счетчиком Гейгера на спутнике). Открыты они были в 1968 г. американскими спутниками-шпионами «Вела», призванными наблюдать за ядерными взрывами в атмосфере.
Почти 30 лет их видели только как всплески отсчетов гамма-квантов детекторами на космических аппаратах, продолжительность менялась от малых долей секунды до сотен секунд, интенсивность всплеска зависела от времени непредсказуемым образом.
Иногда удавалось довольно точно определить положение источника всплеска на небе (гамма-всплески всегда приходят из разных мест, не повторяясь). И никогда на месте гамма-всплеска не оказывалось ровным счетом ничего, разве что какая-то очень далекая галактика, которые и так найдешь повсюду. Мощнейшие всплески напоминали гром с ясного неба.
Больше двадцати лет думали, что гамма-всплески рождаются сравнительно недалеко — в Галактике — и связаны с какими-то катаклизмами на нейтронных звездах, богатых на яркие эффекты.
5 марта 1979 года произошло событие (кстати, зарегистрированное российскими аппаратами), после которого многие подумали, что ответ ясен: мощнейший всплеск с последующими периодическими пульсациями с периодом несколько секунд. Раз пульсации — значит пульсар, нейтронная звезда. Но впоследствии оказалось, что это был не гамма-всплеск, а soft gamma repeater (на одном семинаре предложили переводить это как «мягкий повторитель», но мы не берем на себя такую смелость) — совсем другое явление.
В 90-х годах, когда американцы (НАСА) запустили Гамма Обсерваторию «Комптон», вообще все смешалось. Детекторы BATSE на Гамма Обсерватории регистрировали всплески почти ежедневно. Оказалось, что источники всплесков слишком равномерно распределены по небу, чтобы принадлежать Галактике, которая, как известно, имеет форму диска. Хуже того, явно не досчитывались слабых всплесков: их распределение по яркости подразумевало, что у их распределения по расстоянию от нас есть край. Как будто мы сидим в центре сферического ограниченного облака гамма-всплесков.
Большинство исследователей постепенно, после жестоких споров, поверило, что гамма-всплески рождаются на космологических расстояниях, за миллиарды световых лет от нас. Мы видим те всплески, которые испущены, когда Вселенная была вдвое-втрое моложе, чем сейчас. И равномерное распределение по небу (Вселенная на таких масштабах равномерна), и ограниченность по расстоянию (у Вселенной есть горизонт) при этом обеспечиваются автоматически. Но это было пока только сильное подозрение, многие астрофизики еще не верили в космологические расстояния до всплесков. Ведь если так, тогда гамма-всплески должны быть чудовищно мощными: чтобы дать такой эффект на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет, надо излучить 1051 — 1052 эрг в гамма-квантах за считанные секунды: больше, чем при самых грандиозных взрывах, известных ранее — сверхновых, высвечивающих меньшую энергию за месяцы.
Прорыв тупика произошел 28 февраля 1997 г. Небольшой и сравнительно недорогой итало-голландский спутник Beppo-SAX зарегистрировал гамма-всплеск позиционно-чувствительной гамма-камерой, которая выдала его координаты с точностью 7 угловых минут. На спутнике есть другая камера, рентгеновская, которая обладает лучшим угловым разрешением (благодаря рентгеновскому зеркалу), но имеет узкое поле зрения, куда всплеск не попал. Зато Beppo-SAX умеет разворачиваться рентгеновской камерой на всплеск, что он и сделал за 8 часов. Рентгеновская камера в пределах упомянутых 7 минут зарегистрировала слабеющий источник с точностью уже в одну угловую минуту. А одна угловая минута — это достаточно точное указание для мощного телескопа, чтобы искать в этом месте нечто необычное.
Нашли слабый точечный источник света, которого раньше там не было, необычно синий. Вскоре убедились, что источник слабеет. Сомнений не осталось — это послесвечение гамма-всплеска. Источник совпадал с очень далекой галактикой.
Вскоре зарегистрировали послесвечения других всплесков, для некоторых напрямую измерили красное смещение, и оно оказалось порядка z=1 и больше, т. е. источник удаляется со скоростью, сравнимой со скоростью света, расстояние до него — миллиарды световых лет, больше полпути до горизонта Вселенной и больше половины срока ее жизни во времени.
Методика наблюдений совершенствовалась — примерные координаты всплесков стали выдавать за считанные секунды, появились небольшие телескопы-роботы, направляющиеся в нужную точку неба по команде, переданной по сети. 23 января 1999 г. такой телескоп, наведясь по координатам, переданным со спутника, увидел гамма-всплеск в оптике через 10–20 секунд после его начала, когда он еще продолжался в гамма-диапазоне. По дате (23 января) всплеск получил прозвище «0123». То есть это было не послесвечение, а прямое оптическое свечение — в сотни тысяч раз ярче галактик, находящихся на том же (космологическом) расстоянии. Свечение могло быть видимо с Земли в сильный бинокль и продолжалось секунд 40, как и гамма-всплеск.
Сейчас количество всплесков, для которых найдено послесвечение, составляет 35. Для 14 случаев непосредственно измерено красное смещение. Все они находятся на космологических расстояниях. Энергия, выделенная при гамма-всплесках, колеблется от 1051 до 1054 эрг, если считать, что энергия излучена равномерно во все стороны.
Что такое 1054 эрг? Идеально эффективный ядерный взрыв килограмма урана даст 1021 эрг, идеальный термоядерный взрыв килограмма дейтерий-тритиевой смеси в три раза больше. В этом случае выделяется от 0,1% до 0,3% от энергии массы покоя вещества (масса покоя дается знаменитой формулой E = mc²). Если все Солнце (масса 1033 грамм) взорвется как термоядерная бомба (что бывает с некоторыми типами звезд), выделится около 3 · 1051 эрг — близко к тому, что излучается при не самых сильных всплесках.
Есть более эффективный механизм звездного взрыва — гравитационный коллапс звезды в черную дыру. Теоретически — выделяемая энергия может быть сравнима с mc² реально — большая ее часть уносится в черную дыру, наружу может быть выброшена энергия, эквивалентная 10% массы покоя (это довольно трудная оценка и она не точна). Для Солнца это 1053 эрг, для массивной звезды все 1054 эрг. Но куда пойдет эта энергия? В случае взрывов сверхновых большая ее часть уносится потоком труднонаблюдаемых нейтрино. А здесь мы имеем рекорд 1054 эрг только в гамма-квантах! Скорее всего, энергия взрыва поменьше — просто она излучается неравномерно по направлениям, и иногда мы попадаем в максимальный поток, как бы в луч прожектора (а пересчет на полную энергию делается в предположении об изотропном излучении).
Важно то, что нужная энергия может быть обеспечена источником звездного происхождения. И в принципе есть мыслимые механизмы выделения подобной энергии. И даже есть явление, лишь немного уступающее гамма-всплескам по энерговыделению — взрывы сверхновых, правда эти взрывы в сотни тысяч раз растянуты относительно всплесков.
Возьмем умеренный случай энерговыделения 1052 эрг и расстояние до всплеска 3 парсека, 10 световых лет, или 1019 см — в таких пределах от нас находится с десяток звезд. На таком расстоянии за считанные секунды на каждом квадратном сантиметре попавшейся на пути гамма-квантов планеты выделится 1013 эрг. Это эквивалентно взрыву атомной бомбы на каждом гектаре неба! Атмосфера не помогает: хоть энергия высветится в ее верхних слоях, значительная часть мгновенно дойдет до поверхности в виде света. Ясно, что все живое на половине планеты будет истреблено мгновенно, на второй половине чуть позже за счет вторичных эффектов. Даже если мы возьмем в 100 раз большее расстояние (это уже толщина галактического диска и сотни тысяч звезд), эффект (по атомной бомбе на квадрат со стороной 10 км) будет тяжелейшим ударом, и тут уже надо серьезно оценивать — что выживет и выживет ли вообще что-нибудь.
Так, каждый гамма-всплеск способен истребить жизнь в радиусе десятков, а то и сотен световых лет (если она там окажется) и нанести тяжелый удар по биосферам планет в радиусе до тысяч световых лет. К счастью, гамма-вплески достаточно редки. Число наблюдаемых (правильнее сказать — наблюдавшихся, поскольку Гамма-обсерватория Комптон, регистрировавшая 90% всплесков, уничтожена конъюнктурным решением руководства НАСА) гамма-всплесков — около трехсот в год. С поправками на неполное поле зрения, дыры в данных и малую эффективность регистрации слабых всплесков имеем 600–800 в год. Стараниями автора данной заметки с соавторами, нашедшими много очень слабых всплесков в архивных данных Комптоновской обсерватории, пропущенных регистрирующей электроникой, цифра возрастает до 1200–1300 в год, и еще минимум 2000 должны быть слабее порога регистрации (экстраполяция). Скорее всего, гамма-всплесков не меньше 10 000 в год.
В видимой Вселенной около миллиарда галактик. Получается около одного всплеска в миллион лет на галактику для оценки полного числа 1 000 в год и один в 100 000 лет для полного числа 10 000 в год. На расстояниях порядка размеров галактики (десятки тысяч световых лет) гамма-всплеск еще безопасен. Но один из сотни или тысячи всплесков в галактике может происходить достаточно близко, чтобы представлять угрозу.
Тут самое время вспомнить о вымирании динозавров (вообще этот ход очень выигрышен в смысле public relations — динозавры популярны, их вымирание интригующе) — не гамма-всплеск ли тому виной? Действительно, было несколько работ на эту тему, где вышеприведенные оценки, выраженные здесь в атомных бомбах на единицу площади, делались серьезней и детальней. Получалось, что раз в несколько сот миллионов лет гамма-всплески действительно должны наносить заметный урон фауне Земли, и один из них вполне мог погубить динозавров.
Рассуждения о катастрофичности гамма-всплесков хоть и интересны, все-таки это досужие рассуждения. С точки зрения ученого куда важнее понять, что это такое и как это происходит. Первый вопрос проще: выбирать особенно не из чего — гамма-всплеск является разновидностью катастрофического гравитационного коллапса одного или пары объектов звездного происхождения. Либо коллапс очень массивной звезды, либо слияние и совместный коллапс двух нейтронных звезд в черную дыру. В этом смысле гамма-всплеск не сильно отличается от взрыва сверхновой, тоже связанного с гравитационным коллапсом ядра звезды. Разница в последствиях — в случае сверхновой выбрасывается тяжелая оболочка вещества, которая высвечивается в течение недель и месяцев и летит медленно, 10–30 тыс. км/с, т. е. около 0,03–0,1 от скорости света. В случае гамма-всплеска нечто излучающее гамма-кванты летит практически со скоростью света.
Когда речь идет о таких скоростях, основное значение имеет Лоренц-фактор γ = 1 / √1 − v²/c² — энергия тела равна энергии массы покоя, умноженной на γ, время на летящем объекте замедляется в γ раз и т. п. Довольно твердое утверждение заключается в том, что излучающая субстанция гамма-всплеска движется к нам с Лоренц-фактором не меньше 100, иначе она не смогла бы испускать гамма-кванты больших энергий. Значит, летит очень мало вещества, на 5–6 порядков меньше, чем в оболочке сверхновой, иначе получится слишком большая кинетическая энергия.
В этом и есть основное отличие: взрыв сверхновой «грязный», в него вовлечены огромные массы вещества, гамма-всплеск — чистый взрыв, вещество почти не выбрасывается, выбрасывается чистая энергия в виде магнитного поля и релятивистских частиц. Кстати, именно из-за большого Лоренц-фактора всплеск получается коротким. Ударный фронт может идти и излучать несколько дней или месяц. Но он очень мало отстает от гамма-квантов, которые сам испустил. В результате все гамма-кванты приходят к нам почти одновременно, и мы видим всплеск десятки секунд длиной (происходит сжатие времени в 1/γ² раз) там, где излучение продолжалось дни.
В кандидатах в виновники гамма-всплесков перебывало множество космических персонажей: нейтронные звезды, реликтовые черные дыры, белые карлики, красные карлики, космические струны, даже кометы — список далеко не полон.
Ныне всерьез рассматриваются только два: парные нейтронные звезды, сливающиеся в черную дыру и коллапсирующие звезды-гиганты.
Итак, подводя черту, попробуем обрисовать наиболее популярные сценарии гамма-всплеска. Причиной является катастрофа звездного масштаба: слияние пары нейтронных звезд, или коллапс ядра очень большой звезды. За миллисекунды выделяется до 1054 эрг, которые мы пока не видим. И в случае слияния нейтронных звезд и в случае коллапса гиганта образуется диск из сверхплотной материи радиусом порядка 10 км. Он и излучает энергию. Никто не знает сколько живет этот диск: одни исследователи за то, что он живет миллисекунды, другие за то, что он живет десятки и сотни секунд. Энергия, излученная диском, разлетается почти со скоростью света в форме частиц и магнитного поля — ультрарелятивистский файербол или струя.
Если это произошло в ядре гиганта — диск испускает вдоль оси вращения две струи энергии такой мощности, что, по уверениям Стэна Вусли (Санта-Круз) с соавторами, они за доли секунды прожигают канал сквозь тело звезды, очищая свой путь от вещества. Это получается при численном моделировании, но убедить общественность в этом непросто, поскольку задача очень сложна.
Будь то файербол или струя — в начале мы ничего не видим: плотность энергии и частиц в нем настолько велика, что излучение оказывается запертым. И только потом, когда файербол прошел световые часы, дни или даже месяцы, он как-то перерабатывает свою энергию в гамма-кванты (для нас эти дни и месяцы сжимаются в секунды, см. выше). Поток этих гамма-квантов таков, что звездная катастрофа превращается в катастрофу местного галактического масштаба, способную истребить жизнь на расстояниях до сотен световых лет.
Потом в течение многих недель мы видим последствия взаимодействия уже замедлившегося файербола с межзвездной средой — послесвечение. Оно гораздо слабей всплеска и сравнимо с обычной сверхновой (все же ярче).
В этом сценарии остается масса неясных вопросов. Например, как и что излучает гамма-кванты, что определяет разнообразные кривые яркости всплесков, на которые пока нет убедительных ответов. Кажется, там работает какой-то сравнительно простой и красивый процесс, которого мы не понимаем.
Квазары сравнивают с маяками Вселенной. Они видны с огромных расстояний (до красного смещения z=5), по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения: сильные спектральные линии поглощения водорода разворачиваются в лес линий по красному смещению поглощающих облаков.
Прямое оптическое излучение всплеска, как в случае 0123 (см. выше), несравненно ярче любого квазара, хотя продолжается недолго. Такой всплеск, если его успеть поймать, мог бы легко быть виден с красного смещения 10 — т. е. из самой ранней Вселенной, о которой мы почти не имеем представления. По мнению Джиорговского, одного из лидеров в оптических наблюдениях послесвечений всплесков, такого события хватило бы, чтобы промерить распределение газа на луче зрения вплоть до z=10 — это бы сказало очень многое про эпоху образования галактик.
Так, явление остающееся загадочным, все больше приобретает значение инструмента исследования
Самый близкий гамма-всплеск в истории наблюдений. Начиная с 29 марта почтовые ящики астрофизиков, связанных с гамма-всплесками, забиты циркулярами GCN (GRB Coordinates Network), посвященными одному всплеску, произошедшему 29 марта, точнее, послесвечению этого всплеска. Такого обилия циркуляров еще не удостаивался ни один всплеск. Причина простая: событие произошло рекордно близко и послесвечение видят все, даже астрономы любители. Сам гамма-всплеск был зарегистрирован и локализован спутником HETE, предназначенным именно для этого. Информация о координатах всплесков распространяется по сети, поэтому вскоре в указанное место были направлены наземные оптические телескопы.
Сам всплеск был зарегистрирован HETE в 11:37 по Гринвичу. Первые сообщения ушли с комментарием «определенно не гамма-всплеск» и только в 12:50 ушло сообщение с комментарием «определенно гамма-всплеск».
Из наземных обсерваторий первыми сообщили австралийцы B. A. Peterson и P. A. Price в 13:37: «в радиусе ошибки всплеска 030329 видим источник, отсутствующий на архивных снимках...» Затем японец K. Torii (13:43): видим новый яркий источник 13 величины. Потом снова B. A. Peterson и P. A. Price: наша оценка яркости вероятного послесвечения 12,4 величины (!!!) — так и было с тремя восклицательными знаками. Действительно, для послесвечений гамма-всплесков, которые наблюдались десятками, это неслыханная яркость. Чуть позже P. A. Price сообщил, что они наблюдали послесвечение через облачность, что у них всюду грозы, и они не могут снять спектра и призывают астрономов северного полушария. Наблюдения из северного полушария пошли одно за другим: за день было испущено около 20 циркуляров. Среди наблюдавших были по крайней мере 2 российские группы: Р. Буренин и др. (ИКИ + турецкая + казанская группы) на российско-турецком телескопе и группа В. Липунова под Москвой на небольшом автоматизированном телескопе. На следующий день также пришло сообщение из Крымской обсерватории В. Румянцев, Е. Павленко, О. Антонюк (КрАО) и А. Позаненко (ИКИ).
В первый день обнаружили, что послесвечение, как и положено, слабеет, примерно на 0,1 величины в час. Из следующих важных сообщений: С. Голенецкий, Е. Мазец, В. Пальшин, Д. Фредерикс (ФТИ им. Иоффе), данные гамма-детекторов Konus-Wind (у них намного лучше спектроскопические характеристики чем у HETE): интеграл потока энергии от всплеска в гамма-диапазоне 1,6 · 10−4 эрг/см². Это много, т. е. всплеск весьма яркий (однако, см. ниже про абсолютную яркость).
Первое сообщение по поводу красного смещения появилось на следующий день, правда оно было сильно предположительным: «если эта неразрешенная линия на 5852 А является [O II], то красное смещение z = 0,57». Последовало еще одно подтверждение и оценкой z = 0,57 уже начали пользоваться. Но оказалось, что это не та линия. В тот же день поступило сообщение с большого телескопа на Гавайах: по целому ряду систем линий z = 0,168! Восклицательный знак мой — он говорит что это ближайший гамма-всплеск, зарегистрированный до сих пор. Отсюда и исключительная яркость послесвечения. Следующий по близости z = 0,36. Правда был еще удивительный случай, когда на месте всплеска нашли сверхновую с z = 0,008, взорвавшуюся в то же время. Но либо это было что-то совсем нетипичное, либо совпадение.
Повезло: объем пространства до z = 0,168 более чем в 10 раз уступает объему для следующего по близости всплеска. Послесвечение видят в радиодиапазоне, причем источник яркий и там. Кривая блеска демонстрирует сюрпризы: послесвечение на какое-то время перестало тускнеть, потом продолжило. И наконец, сообщение GCN2107: в спектре послесвечения начинает проступать спектр расширяющейся оболочки сверхновой. Вначале спектр был как всегда степенным — заведомо нетепловым, такой спектр объясняется синхротронным излучением электронов. Вчера американская команда из нескольких университетов сообщила, что в спектре начинает проступать бугор, похожий на тепловой спектр расширяющейся оболочки сверхновой.
Если они не приняли желаемое за действительное, то это весьма важное наблюдение: всё идет к тому, что гамма-всплески — результат катаклизма, похожего на взрыв очень массивной сверхновой. Ранее уже были указания на сверхновую в кривых блеска послесвечения: когда последнее достаточно ослабевало, в кривой блеска появлялось плечо, которое можно интерпретировать так: сначала мы видели послесвечение, которое очень яркое, но быстро затухает. А потом, оно ослабело настолько, что стала видна менее яркая, но более долгая обычная сверхновая. Это было не до конца убедительно, но если сообщение GCN2107 подтвердится, событие гамма-всплеска будет выглядеть так: сначала происходит ультрарелятивистский выброс сквозь звезду из коллапсирующего ядра звезды. Этот выброс и дает гамма-всплеск с послесвечением. Чуть позже и гораздо медленнее начинает разлетаться сама звезда — это и есть сверхновая, которую мы начинаем видеть.
Наконец, лирическое отступление. Был гамма-всплеск (990123), у которого увидели прямое оптическое излучение одновременно с гамма-излучением. Его видимая яркость была 9 величины (видно в бинокль). Этот всплеск был на z = 1,6. Если перенести его на z = 0,168, яркость была бы 3 величины. Это довольно яркая звезда для невооруженного глаза. Если кто-нибудь из 6 миллиардов человек смотрел в нужный момент в нужную точку ночного неба (вряд ли всплеск был точно со стороны Солнца), то он увидел бы странную вещь: за несколько секунд загорелась новая звезда, еще секунд через десять начале слабеть, потом снова усилилась на несколько секунд и потом медленно слабела, окончательно исчезнув через минуту. Но не факт, что этот всплеск имел столь же сильное прямое оптическое излучение, и далеко не факт, что персонаж, увидевший это явление, придал бы ему какое-то значение.
Библиография
Лучков Б. И., Митрофанов И. Г., Розенталь И. Л. О природе космических гамма-всплесков//Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 7.
Постнов К. А. Космические гамма-всплески//Успехи физических наук. 2000. Т. 169. № 5
Штерн Б. Секундные катастрофы галактических масштабов.
Bohdan Paczynski — Donald Q. Lamb. The Paczynski — Lamb Debate in 1995: The Distance Scale to Gamma Ray Bursts.
Dar A., Laor A., Shaviv N. Life Extinction Due To Neutron Star Mergers (1996).
Dar A., Laor A., Shaviv N. Life Extinctions by Cosmic Ray Jets//Phys. Rev. 1998. Lett. 80.
Ghisellini G. Gamma Ray Bursts: Some Facts and Ideas/Invited talk at the 25th Johns Hopkins Workshop: A Relativistic Spacetime Odyssey. Experiments and Theoretical Viewpoints on General Relativity and Quantum Gravity. Florence, 2001.
Klebesadel R., Strong I., Olson R. Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin//Astrophysical Journal (Letters). 1973. 182. L85–L88.
Meszaros P. Theories of Gamma-Ray Bursts/Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2002. V. 40.
Nemiroff R. A. Century of Gamma Ray Burst Models/Gamma-Ray Bursts, Proceedings of the 2nd Workshop held in Huntsville. Alabama, October 1993, AIP Conference Proceedings. 1994. V. 307.
Paradijs J. van, Kouveliotou C., Wijers R. Gamma-Ray Burst Afterglows//Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2000. V. 38.
Rees M. Gamma ray bursts//Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2000. V. 358. № 1767.
http://www.astronet.ru/
http://www.scientific.ru/
Тема № 285
Эфир 26.08.2003
Хронометраж 50:14
|
26.08.2003 
50:14
www.ntv.ru