Гром с ясного неба
60-е годы были самыми урожайными на сенсационные открытия в астрономииуходящего века. Не говоря о фундаментальнейшем открытии реликтового излучения,это три явления, каждое из которых в то или иное время вызвало шок:квазары, пульсары игамма-всплески. Но если квазары и пульсары были быстро поняты хотя бы всамых общих чертах, гамма-всплески водили исследователей за нос почти тридцатьлет, да и сейчас остаются почти непонятыми.читать дальше
Гамма-всплески — ярчайшее явление. Сильные всплески можнозарегистрировать детектором размером с монету (например, маленькимсчетчиком Гейгера на спутнике). Открыты они были в 1968 г. американскимиспутниками-шпионами “Вела”, призванными наблюдать за ядернымивзрывами в атмосфере.
Почти 30 лет их видели только как всплески отсчетов гамма-квантовдетекторами на космических аппаратах, продолжительность менялась отмалых долей секунды до сотен секунд, интенсивность всплеска зависела отвремени непредсказуемым образом.
 Рис.1 Временные профили нескольких ярких гамма-всплесков (данные BATSE).(по горизонтальной оси — время в секундах, по вертикальной — числоотсчетов в секунду). Профили настолько разные, что не верится, что ониотносятся к одному и тому же явлению. Однако, они хорошо вписываютсяв единую статистику и все попытки выделить среди них подклассы повременным профилям ничего не дали. |
Иногда удавалось довольно точно определитьположение источника всплеска на небе (гамма-всплески всегдаприходят из разных мест, не повторяясь). И никогда на месте гамма-всплескане 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 сравнительнонедалеко — в Галактике — и связаны с какими-то катаклизмами нанейтронных звездах, богатых на яркие эффекты.
5 марта 1979 годапроизошло событие (кстати, зарегистрированное российскими аппаратами),после которого многие подумали, что ответ ясен: мощнейший всплеск споследующими периодическими пульсациями с периодом несколько секунд. Раз пульсации — значит пульсар, нейтронная звезда. Но впоследствии оказалось, что это был не гамма-всплеска soft gamma repeater (на одном семинаре предложили переводить это как“мягкий повторитель”, но мы не берем на себя такую смелость) — совсем другоеявление.
В 90-х годах, когда американцы (НАСА) запустили Гамма Обсерваторию“Комптон”, вообще все смешалось. Детекторы BATSE на Гамма Обсерваториирегистрировали всплески почти ежедневно.Оказалось, что источники всплесков слишком равномерно распределеныпо 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 распределенияпо расстоянию от нас есть край! Как будто мы сидим в центре сферическогоограниченного облака гамма-всплесков.
Это уже старая история, перейдем сразу к результату: большинство(которое не всегда право, но иногда бывает) исследователей постепенно, послежестоких баталий, поверило, что гамма-всплескирождаются на космологических расстояниях, за миллиарды световых лет от нас.Мы видим те всплески, которые испущены, когда Вселенная была вдвое-втроемоложе, чем сейчас. И равномерное распределение по небу (Вселенная на такихмасштабах равномерна), и ограниченность по расстоянию (у Вселенной естьгоризонт) при этом обеспечиваются автоматически. Но это было пока толькосильное подозрение, многие астрофизики еще не верили в космологическиерасстояния до всплесков. Ведь если так, тогда гамма-всплески должны бытьчудовищно мощными: чтобы дать такойэффект на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет надо излучить1051 - 1052 эрг в гамма-квантах за считанные секунды: больше, чемпри самых грандиозных взрывах, известных ранее — сверхновых, высвечивающихменьшую энергию за месяцы.
Где гром, там должна быть и молния.
Прорыв тупика произошел 28 февраля 1997 г.Небольшой и сравнительно недорогой итало-голландский спутник Beppo-SAXзарегистрировал гамма-всплеск позиционно-чувствительной гамма-камерой, котораявыдала его координаты с точностью 7 угловых минут. На спутникеесть другая камера, рентгеновская, которая обладает лучшимугловым разрешением (благодаря рентгеновскому зеркалу), но имеет узкоеполе зрения, куда всплеск не попал. Зато Beppo-SAX умеет разворачиватьсярентгеновской камерой на всплеск, что он и сделал за 8 часов.Рентгеновская камера в пределах упомянутых 7 минут зарегистрироваласлабеющий источник с точностью уже в одну угловую минуту.А одна угловая минута — это достаточно точное указание для мощноготелескопа, чтобы искать в этом месте нечто необычное.
Нашли слабый точечный источник света, которого раньше там не было, необычносиний. Вскореубедились, что источник слабеет. Сомнений не осталось — это послесвечениегамма-всплеска. Источник совпадал с очень далекой галактикой.
 Рис.2 |  Рис.3 |
Вскоре зарегистрировали послесвечения других всплесков, для некоторыхнапрямую измерили красное смещение, и оно оказалось порядка z=1 и больше,т.е источник удаляется со скоростью, сравнимой со скоростьюсвета, расстояние до него — миллиарды световых лет, больше полпути догоризонта Вселенной и больше половины срока ее жизни во времени.
Методика наблюдений совершенствовалась — примерные координаты всплесковстали выдавать за считаные 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 соспутника, увидел гамма-всплеск в оптике через 10 — 20секунд 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 сильныйбинокль и продолжалось секунд 40, как и гамма-всплеск.Послесвечение этого всплеска показано на рис.4.
 Рис.4 Послесвечение знаменитого всплеска “0123”. Слева — общий вид,справа — крупный план). Оно на 5 - 6 порядков величиныслабее прямого оптического свечения, наблюдавшегося в момент всплескаи все-еще затмевает хозяйскую галактику (два слабых светящихся рукава,направленных вверх от остатка всплеска). |
Сейчас количество всплесков, для которых найдено послесвечение составляет35.Для 14 случаев непосредственно измерено красное смещение. Все онинаходятся на космологических расстояниях. Энергия, выделенная пригамма-всплесках колеблется от 1051 до 1054 эрг, если считать, чтоэнергия 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 втри раза больше. В этом случае выделяется от 0.1% до 0.3% от энергии массыпокоя вещества (масса покоя дается знаменитой формулой
Есть более эффективный механизм звездного взрыва — гравитационный коллапсзвезды в черную дыру. Теоретически — выделяемая энергия может быть сравнимас
Важно то, что нужная энергия может быть обеспечена источником звездногопроисхождения. И в принципе есть мыслимые механизмы выделения подобнойэнергии. И даже есть явление, лишь немного уступающее гамма-всплескампо энерговыделению — взрывы сверхновых, правда эти взрывыв сотни тысяч раз растянуты относительно всплесков.
Не приведи Господь!
Возьмем умеренный случай энерговыделения 1052 эрг и расстояниедо всплеска 3 парсека, 10 световых лет, или 1019 см — в таких пределахот нас находится сдесяток звезд. На таком расстоянии за считанныесекунды на каждом квадратном сантиметре попавшейся на пути гамма-квантовпланеты выделится 1013 эрг. Это эквивалентно взрыву атомной бомбына каждом гектаре неба! Атмосфера не помогает: хоть энергия высветится в ееверхних слоях, значительная часть мгновенно дойдет до поверхности в видесвета. Ясно, что все живое наполовине планеты будет истреблено мгновенно, на второй половине чуть позжеза счет вторичных эффектов. Даже если мы возьмем в 100 раз большеерасстояние (это уже толщина галактического диска и сотни тысяч звезд),эффект (по атомной бомбе на квадрат со стороной 10 км) будет тяжелейшимударом, и тут уже надо серьезно оценивать — что выживет и выживет ливообще что-нибудь.
Так, каждый гамма-всплеск способен истребить жизнь в радиусе десятков,а то и сотен световых лет (если она там окажется) и нанести тяжелыйудар по биосферам планетв радиусе до тысяч световых лет. К счастью, гамма-вплески достаточно редки.Число наблюдаемых (правильнее сказать — наблюдавшихся, посколькуГамма-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 всплесковимеем 600 - 800 в год. Стараниями автора данной заметки с соавторами,нашедшими много очень слабых всплесков в архивных данных Комптоновскойобсерватории, пропущенных регистрирующей электроникой,цифра возрастает до 1200 - 1300 в год, и еще минимум 2000 должны бытьслабее порога регистрации (экстраполяция). Скорее всего, гамма-всплесковне меньше 10000 в год.
В видимой Вселенной около миллиарда галактик. Получается околоодного всплеска в миллион лет на галактику для оценки полного числа 1000 в годи один в 100 000 лет для полного числа 10000 в год. На расстояниях порядка размеров галактики(десятки тысяч световых лет) гамма-всплеск еще безопасен. Но один из сотниили тысячи всплесков в галактике может происходить достаточно близко, чтобыпредставлять угрозу.
Тут самое время вспомнить о вымирании динозавров (вообще этот ход оченьвыигрышен в смысле public relations — динозавры популярны, в 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 серьезнейи детальней. Получалось, что раз в несколько сот миллионов лет гамма-всплескидействительно должны наносить заметный урон фауне Земли, и один из нихвполне мог погубить динозавров.
Как устроить чистый взрыв
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 особенноне из чего — гамма-всплеск является разновидностью катастрофическогогравитационного коллапса одного или пары объектов звездного происхождения.Либо коллапс очень массивной звезды, либо слияние и совместный коллапс двухнейтронных 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 случаесверхновой выбрасывается тяжелая оболочка вещества, которая высвечиваетсяв 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 нечтоизлучающее гамма-кванты летит практически со скоростью света.
Когда речь идет о таких скоростях, основное значение имеет Лоренц-факторg =1/Ц(1-v2/c2) — энергия тела равна энергии массы покоя,умноженной на g, время на летящем объектезамедляется в g рази т.п. Довольно твердое утверждение заключается в том, что излучающаясубстанция гамма-всплеска движется к нам с Лоренц-фактором не меньше 100, иначеона не смогла бы испускать гамма-кванты больших энергий. Значит, летиточень мало вещества, на 5 - 6 порядков меньше, чем в оболочке сверхновой,иначе получится слишком большая кинетическая энергия.
В этом и естьосновное отличие: взрыв сверхновой “грязный”, в него вовлечены огромныемассы вещества, гамма-всплеск — чистый взрыв, вещество почти не выбрасывается,выбрасывается чистая энергия в виде магнитного поля и релятивистскихчастиц. Кстати, именно из-за большого Лоренц-фактора всплеск получаетсякоротким. 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 временив 1/g 2 раз) там, где излучение продолжалось дни.
Сценарии и персонажи
В кандидатах в виновники гамма-всплесков перебывало множество космическихперсонажей: 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 сценариигамма-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 гигантаобразуется 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, чтоон живет десятки и сотни секунд.Энергия, излученная диском, разлетается почти со скоростью света в формечастиц и магнитного поля — ультрарелятивистский файербол или струя.
Если это произошло в ядре гиганта — диск испускает вдоль оси вращениядве струи энергии такой мощности, что, по уверениям Стэна Вусли (Санта-Круз)с соавторами, они за доли секунды прожигаютканал сквозь тело звезды, очищая свой путь от вещества. Это получается причисленном моделировании, но убедить общественность в этом непросто,поскольку задача очень сложна.
Будь то файербол или струя — в начале мы ничего не видим: плотностьэнергии 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 имесяцы сжимаются в секунды, см. выше). Поток этих гамма-квантов таков,что звездная катастрофа превращается в катастрофу местного галактическогомасштаба, способную истребить жизнь на расстояниях до сотен световых лет.
Потом в течение многих недель мы видим последствия взаимодействия ужезамедлившегося файербола с межзвездной средой — послесвечение. Оно гораздослабей всплеска и сравнимо с обычной сверхновой (все-же ярче).
В этом сценарии остается масса неясных вопросов. Например, как и что излучает гамма-кванты, чтоопределяет разнообразные кривые яркости всплесков, на которые пока нетубедительных ответов. Кажется там работает какой-то сравнительно простой икрасивый процесс, которого мы не понимаем.
Просветить всю Вселенную
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 линиипоглощения водорода разворачиваются в лес линий по красному смещению поглощающихоблаков.
Прямое оптическое излучение всплеска, как в случае 0123 (см. выше),несравненно ярче любого квазара, хотя продолжается недолго. Такойвсплеск, если его успеть поймать, мог бы легко быть виден с красногосмещения 10 — т.е. из самойранней Вселенной, о которой мы почти не имеем представления.По мнению Джиорговского, одного из лидеров в оптических наблюдениях послесвеченийвсплесков, такого события хватило бы, чтобы промерить распределениегаза на луче зрения вплоть до z=10 — это бы сказало очень многое проэпоху образования галактик.
Так, явление остающееся загадочным, все больше приобретает значениеинструмента исследования.
