CC BY
51
АСТРОНОМИЯ
Челябинский физико-математический журнал. 2016. Т. 1, вып. 4- С. 94-101. УДК 524.8
ГАММА-ВСПЛЕСКИ. АНТИТЯГОТЕНИЕ
А. В. Клименко1", В. А. Клименко2'6
1ООО «ДАТЛАБ», Челябинск, Россия
2 Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия "[email protected]; [email protected]
В рамках теории гравитации, согласно которой между частицами и античастицами существует антитяготение, дано качественное объяснение природы гамма-всплесков. Предполагается, что они связаны с падением на массивные чёрные дыры компактных звёзд (белых карликов и нейтронных звёзд). Показано, что одновременно с любым гамма-всплеском имеет место соизмеримый с ним по мощности всплеск антинейтринного излучения.
Ключевые слова: гамма-всплеск, антинейтринный всплеск, двузнаковая гравитация, антитяготение.
Введение
В 1968 г. детекторами американского космического аппарата «Вела» были зарегистрированы всплески отсчёта гамма-квантов. Вначале думали, что гамма-всплески рождаются сравнительно недалеко — в Галактике — и связаны с какими-то процессами на нейтронных звёздах [1].
Для детального изучения гамма-всплесков была запущена специализированная гамма-обсерватория «Комптон». Детекторы БАТБЕ этой обсерватории регистрировали гамма-всплески почти ежедневно. Их продолжительность менялась от долей секунды до сотен секунд. Всплески возникали во времени случайным образом, а их угловое распределение на небесной сфере оказалось изотропным. Временные профили яркости для нескольких типичных гамма-всплесков, зарегистрированных детекторами БАТБЕ [2], приведены на рисунке (с. 95).
Гамма-обсерватория «Комптон» регистрировала около трёхсот гамма-всплесков в год. С учётом поправок на пропуски, связанные с ограниченностью поля зрения датчиков, временных дыр в данных и малой эффективности регистрации слабых всплесков был сделан вывод: общее количество гамма-всплесков — около 1200^1300 в год.
Анализ наблюдательных данных о гамма-всплесках выявил следующее [3; 4]:
• Гамма-всплески рождаются на космологических расстояниях. Многие их них имеют значительные красные смещения Z > 2.
• Распределение гамма-всплесков на небесной сфере является изотропным.
• Показано, что значительная часть энергии, выделяющейся в гамма-всплесках, содержится в гамма-квантах, имеющих энергии десятки и сотни Кэв, но иногда и значительно большие. Из наблюдений следовало, что значения энергии гамма-всплесков, если считать, что она излучается равномерно во все стороны, лежат в интервале 1051 ^ 1055 эрг.
10 20 30 40 Time, з
Профили яркости для нескольких типичных гамма-всплесков (данные BASTE; по горизонтальной оси — время в секундах, по вертикальной — число отсчётов в секунду)
Энергиям 1051 ^ 1055 эрг соответствуют массы 1030 ^ 1034 грамм. Верхняя граница интервала этих масс соизмерима с массой Солнца (ш© ~ 2 • 1033 г). Для сравнения отметим: энергии (1051 ^ 1052 эрг) выделяются при взрывах сверхновых за времена порядка месяца, и при этом значительная их часть уносится нейтрино. В гамма-всплесках такие и даже значительно большие энергии могут выделиться в виде гамма-квантов за доли секунды. Для части гамма-всплесков определены их родительские галактики. Для многих из них измерены их красные смещения. Источники гамма-всплесков часто наблюдаются в оптическом и рентгеновском диапазонах. Оказалось, что оптическое послесвечение гамма-всплесков может быть в десятки и сотни тысяч раз ярче родительских галактик [3-5]. Максимальная светимость мощного гамма-всплеска бывает сопоставимой с суммарной электромагнитной светимостью всех звёзд видимой Вселенной ~ 1054 эрг/с [6]. Возникает вопрос о причинах и механизмах выделения такой большой энергии за короткие времена гамма-всплеска.
1. Существующее объяснение природы гамма-всплесков
Широко распространена идея о том, что гамма-всплески являются следствием слияния двух нейтронных звёзд в чёрную дыру или коллапса гигантской звезды [7; 8]. Согласно этой идее, гамма-всплески похожи на взрывы сверхновых, которые, как считается, связаны с гравитационным коллапсом ядер звёзд. Разница в последствиях — в случае сверхновых выбрасывается тяжёлая оболочка вещества, которое разлетается со скоростями (1^3) 104 км/с и высвечивается в течение недель и месяцев. В то же время предполагается, что гамма-всплеск в отличие от взрыва сверхновой порождается излучением частиц, движущихся с ультрарелятивистской скоростью. Считается, что их лоренц-фактор 7 = (1 — ^2/с2)-1/2 не меньше ста, иначе они не смогли бы испускать гамма-кванты наблюдаемых энергий. Предполагается, что в источниках гамма-всплесков существует эффективный механизм разгона больших масс материи до ультрарелятивистских скоростей.
Считается, что он связан с образованием релятивистской ударной волны, идущей из центральной области огромной плотности источника гамма-всплеска на его периферию в область значительно меньшей плотности. При этом имеет место огромный рост амплитуды ударной волны. За фронтом этой волны возникает очень горячий спутный поток, лоренц-фактор которого более ста и который содержит порождающее гамма-всплески излучение. При этом гамма-кванты, родившиеся за фронтом ударной волны, в спутном потоке в течение дней и десятков дней накапливаются и образуют импульс, протяжённость которого в системе земного наблюдателя 10 4 раз меньше.
В описанном выше сценарии имеется масса неясных мест. Главные из них следующие. Каков механизм процесса перекачки энергии, выделяющейся при гравитационном коллапсе, в энергию гамма-квантов? Что определяет огромное разнообразие кривых яркости гамма-всплесков и их нетепловой спектр?
Кроме описанной выше идеи объяснения природы гамма-всплесков существуют и другие; см., например, [9-11]. Многочисленные предлагаемые объяснения природы гамма-всплесков ещё никогда не были убедительными. Они, скорее, показывают лишь одно: существующие теории для объяснения этого явления не годятся, если не делать различного рода предположения, приводящие к значительному (на 3-4 порядка) уменьшению суммарной энергии гамма-всплесков. В рамках этих теорий не удаётся убедительно показать, как можно за доли секунды превратить массу порядка солнечной в гамма-кванты высоких энергий и изотропно излучить их в окружающее пространство. Возможно, в гамма-всплесках работает другой, более простой и естественный процесс, который не описывается в рамках существующих теорий.
В настоящей работе придерживаемся этой точки зрения. Полагаем, что существующие трудности объяснения природы гамма-всплесков, как и многих других физических явлений, связаны с ограниченностью общей теории относительности (ОТО). В этой теории постулируется, что гравитация не различает частицы и античастицы. Есть основания считать, что в реальности правильным является альтернативное ему положение [12]. Теория, в которой гравитация различает частицы и античастицы и согласно которой между ними существует не тяготение, а антитяготение, названа авторами двузнаковой гравитацией. Наши статьи по двузнаковой гравитации размещены на сайте www.cosmoway.ru
На качественном уровне покажем, что в рамках этой теории может быть дано простое и естественное объяснение природы гамма-всплесков.
2. Антигамма- и антинейтринные всплески
Согласно двузнаковой гравитации, у любой частицы, в том числе и фотона, существует античастица. Между частицами и античастицами существует не тяготение, а антитяготение. Гравитационные поля сгустков вещества являются полями притяжения для частиц и полями отталкивания для античастиц.
Предполагаем, что гамма-всплески связаны с падением на объекты, определяемые в настоящее время как чёрные дыры, компактных космических тел, имеющих массы, соизмеримые с массой Солнца. Этими телами могут быть белые карлики и нейтронные звезды. При падении на массивные чёрные дыры, масса которых значительно больше солнечной, эти звёзды разгоняются до энергий, соизмеримых с энергией их покоя. В чёрной дыре кинетическая энергия падающих звёзд идёт на рождение частиц и античастиц, которые в экстремальных условиях этого релятивистского объекта достаточно быстро превращаются в излучение (фотоны, антифотоны, нейтрино и антинейтрино). Согласно ОТО нет способа вывести их из чёрной дыры в окружающее пространство (см., например, [13; 14]). Принципиально по-другому видится поведение античастиц, рождающихся в чёрной дыре, в рамках двузнаковой гравитации. Согласно этой теории, для античастиц чёрная дыра является мощнейшим центром антитяготения. За счёт антитяготения из чёрной дыры вылетают все образующиеся в ней античастицы (в рассматриваемом случае — антифотоны и антинейтрино).
Замечание 1. При построении количественной теории гамма-всплесков следует иметь в виду, что для античастиц центрально-симметричное поле массы М является не шварцшильдовским, а описывается метрикой К2. Метрика К2 отличается от метрики Шварцшильда заменой гравитационного радиуса тд на — тд (тд = 2ОМ/(?, где М — масса чёрной дыры, О — гравитационная постоянная, с — скорость света). Подробно об этом можно посмотреть на сайте www.cosmoway.ru в статье «Уравнения двузнаковой гравитации».
Чёрная дыра в предлагаемом нами объяснении природы гамма-всплесков выполняет роль мощного ускорителя не только для падающей на неё компактной звезды, но также и для вылетающих из неё античастиц (антифотонов и антинейтрино). Одновременно чёрная дыра выполняет ещё и роль компактной мишени, которая своим гравитационным полем фокусирует падающие на неё частицы в её центральную часть и создаёт благоприятные условия для преобразования их кинетической энергии в частицы и античастицы.
Предполагаем, что масса чёрной дыры М значительно больше массы падающего на неё тела (белого карлика, нейтринной звезды). В этом случае размер области взаимодействия падающей звезды и массивной чёрной дыры определяется гравитационным радиусом тд последней. Длительность времени этого взаимодействия т ~ тд/с.
Если в солнечных массах М = 104, то т ~ 0,1 с, при М = 106 — т ~ 10 с. Величина т определяет также и характерное время выброса из чёрной дыры образовавшихся в ней антифотонов и антинейтрино, а следовательно, длительность антигамма-всплеска и, как предсказывает теория, сопутствующего ему антинейтринного всплеска.
Предлагаемое нами объяснение природы этих всплесков позволяет понять, как можно за время порядка секунды превратить массу порядка солнечной в энергию гамма-квантов и нейтрино и значительную её часть излучить изотропно в окружающее пространство.
Наличие во многих гамма-всплесках последовательности следующих друг за другом вспышек яркости (см. рис. на с. 95) можно трактовать как связанное с разрывом падающего тела в окрестности чёрной дыры на много частей, отличающихся друг от друга по массе, различием траекторий их движения, а как следствие этого, и моментов начала преобразования их кинетической энергии в частицы и античастицы. В фазе излучения высокоэнергичных античастиц чёрная дыра находится в сильно неравновесном состоянии. Следствием этого является нетепловой спектр всплесков. Наблюдаемый всплеск является в реальности наложением множества более мелких всплесков различной интенсивности.
Приведённые выше соображения позволяют, по крайней мере на качественном уровне, пояснить, в чём состоит причина большого разнообразия кривых яркости гамма-всплесков, а также и их нетеплового спектра.
В предлагаемом объяснении природы гамма-всплесков содержится ещё и важное предсказание: в нашем Мире [15] имеют место не гамма-, а антигамма-всплески и одновременно с ними — всплески антинейтринного излучения. Эти всплески имеют подобные параметры по энергетике и по длительности.
Учитывая огромную мощность предсказываемых всплесков антинейтринного излучения, можно пытаться их регистрировать. Считая, что они неразрывно связаны с хорошо регистрируемыми гамма-всплесками, следует прежде всего доказать, что между моментами их регистрации существует корреляция.
Отметим также, что можно гипотетически предполагать, что все фотоны высоких энергий в гамма-всплесках имеют одинаковый знак спиральности [16; 17]. Если это подтвердится в наблюдениях, то будет свидетельством правильности гипотезы о том, что антифотоны отличаются от фотонов не только знаком гравитационного заряда, но и знаком спиральности.
Центральным элементом в предлагаемом объяснении природы гамма-всплесков (точнее, антигамма-всплесков), а также и в предсказании в рамках этого объяснения существования антинейтринных всплесков является идея о различии влияния гравитации на частицы и античастицы. Исследования, направленные на выявление этого различия, осуществляются в ЦЕРНе коллаборацией АЛЬФА [18]. Эксперименты проводятся в условиях, в которых существенным является действие на частицы и античастицы электромагнитных сил. Эти силы по-разному влияют на частицы и античастицы и при этом на много порядков сильнее, чем гравитационные силы. Всегда будет оставаться возможность доказывать, что наблюдаемое различие в поведении частиц и античастиц связано с влиянием электромагнитных, а не гравитационных сил.
Главная цель настоящей статьи: обратить внимание специалистов в области астрофизики и физики элементарных частиц на нетривиальный способ доказательства «в чистом виде» различия влияния гравитации на частицы и античастицы.
Если будет доказано, что одновременно с регистрацией гамма-всплесков в нейтринных лабораториях была значительно выше, чем обычно, частота регистрации антинейтрино, то это будет веским аргументом в пользу идеи о том, что гравитация различает частицы и античастицы и является двузнаковой.
Список литературы
1. Klebesadel, R. W. Observations of gamma-ray bursts of cosmic origin / R. W. Klebesadel, I. B. Strong, R. A. Olson // Astrophysical J. - 1973. - Vol. 182. -P. L85-L88.
2. Spatial distribution of gamma-ray bursts observed by BATS E / C. A. Meegan [et al.] // Nature. - 1992. - Vol. 355. - P. 143-145.
3. Постнов, К. А. Космические гамма-всплески / К. А. Постнов // Успехи физ. наук. - 1999. - Т. 169, вып. 5. - С. 545-558.
4. Исследования космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров в экспериментах ФТИ КОНУС / Р. Л. Аптекарь, С. В. Голонецкий, Е. П. Мазец, В. Д. Паль-шин, Д. Д. Фредерикс // Успехи физ. наук. - 2010. - Т. 180, вып. 4. - С. 420-424.
5. Discovery of an X-ray afterglow associated with the big gamma-ray burst of 28 February 1997 / E. Costa [et al.] // Nature. - 1997. - Vol. 387. - P. 783-785.
6. Постнов, К. А. Гиперновые и гамма-всплески / К. А. Постнов // Соросов. образо-ват. журн. - 2004. - Т. 8, № 2. - C. 69-76.
7. Paczynski, B. Gamma-ray bursters at cosmological distances / B. Paczynski // Astrophysical J. - 1986. - Vol. 308. - P. L43-L46.
8. Взрывающиеся нейтронные звёзды в ТДС / С. И. Блинников, И. Д. Новиков, Т. В. Переводчикова, А. Г. Полнарев // Письма в Астрон. журн. - 1984. - Т. 10. -С. 422-428.
9. Богомазов, А. И. Эволюция тесных двойных систем и гамма-всплески / А. И. Богомазов, В. М. Липунов, А. В. Тутуков // Астрон. журн. - 2007. - Т. 84, № 4. -С. 345-356.
10. Герштейн, С. С. Осцилляционная структура гамма-всплесков и их возможное происхождение / С. С. Герштейн // Письма в Астрон. журн. - 2000. - Т. 26, № 11. -С. 848-854.
11. Докучаев, В. И. Сверхновые — оптические предшественники коротких гамма-всплесков / В. И. Докучаев, Ю. Н. Ерошенко // Письма в Астрон. журн. - 2011. -Т. 37, № 2. - С. 102-109.
12. Klimenko, A.V. Gravitationally-neutral Universe / A. V. Klimenko, V. A. Klimenko // J. of Modern Physics. - 2014. - Vol. 5, no. 15. - P. 1524-1536.
13. Ландау, Л. Д. Теория поля / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1988. -512 с.
14. Новиков, И. Д. Физика чёрных дыр / И. Д. Новиков, В. П. Фролов. - М. : Наука, 1986. - 328 c.
15. Клименко, А. В. Миры и антимиры / А. В. Клименко, В. А. Клименко // Вестн. Челяб. гос. ун-та. - 2013. - № 19 (310). Физика. Вып. 17. - С. 100-109.
16. Клименко, А. В. Различает ли гравитация фотоны различных спиральностей? / А. В. Клименко, В. А. Клименко // Вестн. Челяб. гос. ун-та. - 2015. - № 22 (377). Физика. Вып. 21. - С. 148-154.
17. Клименко, А. В. Гравитационное расщепление спектральных линий / А. В. Клименко, В. А. Клименко // Вестн. Челяб. гос. ун-та. - 2015. - № 22 (377). Физика. Вып. 21. - С. 163-170.
18. Charman A.E. Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen. The ALPHA Collaboration Nature Communications. 2013 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2787.html (дата обращения 01.10.2016).
Поступила в 'редакцию 15.10.2016 После переработки 05.11.2016
Сведения об авторах
Клименко Владимир Антонович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: [email protected].
Клименко Алексей Владимирович, кандидат физико-математических наук, главный разработчик ООО «ДАТЛАБ», удалённый центр разработки банка «ХоумКредит», Челябинск, Россия; e-mail: [email protected].
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2016. Vol. 1, iss. 4. P. 94-101.
GAMMA-RAY BURSTS. ANTIGRAVITATION
A.V. Klimenko1", V.A. Klimenko2b
1OOO "DATLAB", Chelyabinsk, Russia 2 Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia "[email protected]; [email protected]
It is given a qualitative explanation of the nature of gamma-ray bursts within the framework of the gravity theory, according to which there exists antigravitation between particles and antiparticles. It is assumed that gamma-ray bursts are associated with falling of compact stars (white dwarfs and neutron stars) on massive black holes. It is shown that at the same time with any gamma-ray burst a splash of antineutrino radiation occurs that commensurate in power.
Keywords: gamma-ray burst, antineutrino burst, two-signed gravity, antigravitation.
References
1. Klebesadel R.W., Strong I.B., Olson R.A. Observations of gamma-ray bursts of cosmic origin. Astrophysical Journal, 1973, vol. 182, pp. L85-L88.
2. Meegan C.A. [et al.]. Spatual distribution of gamma-ray bursts observed by BATS E. Nature, 1992, vol. 355, pp. 143-145.
3. Postnov K.A. Cosmic gamma-ray bursts. Physics — Uspekhi, 1999, vol. 42, no. 5, pp. 469-480.
4. Aptekar' R.L., Golenetskii S.V., Mazets E.P., Pal'shin V.D., Frederiks D.D.
Cosmic gamma-ray bursts and gamma repeaters studies with Ioffe Institute Konus experiments. Physics — Uspekhi, 2010, vol. 53, no. 4, pp. 401-406.
5. Costa E. [et al.]. Discovery of an X-ray afterglow associated with the big gamma-ray burst of 28 February 1997. Nature, 1997, vol. 387, pp. 783-785.
6. Postnov K.A. Gipernovye i gamma-vspleski [Hypernovae and gamma-bursts]. Sorosovskiy obrazovatel'nyy zhurnal [Soros educational journal], 2004, vol. 8, no. 2, pp. 69-76. (In Russ.).
7. Paczynski B. Gamma-ray bursters at cosmological distances. Astrophysical Journal, 1986, vol. 308, pp. L43-L46.
8. Blinnikov S.I. [et al.]. Exploding neutron stars in close binaries. Soviet Astronomy Letters, 1984, vol. 10, pp. 177-179.
9. Bogomazov A.I., Lipunov V.M., Tutukov A.V. Evolution of closed binaries and gamma-ray bursts. Astronomy Reports, 2007, vol. 51, no. 4, pp. 308-317.
10. Gershtein S.S. Oscillation structure of gamma-ray bursts and their possible origin. Astronomy Reports, 2000, vol. 26, iss. 11, pp. 730-735.
11. Dokuchaev V.I., Eroshenko Yu.N. Supernovae — optical precursors of short gamma-ray bursts. Astronomy Letters, 2011, vol. 37, no. 2, pp. 83-90.
12. Klimenko A.V., Klimenko V.A. Gravitationally-neutral Universe. Journal of Modern Physics, 2014, vol. 5, no. 15, pp. 1524-1536.
13. Landau L.D., Lifshitz E.M. Classical Theory of Field. Fourth revised English edition. Course of Theoretical Physics. Vol. 2. Oxford, Butterworth — Heinemann, 1975.
14. Frolov V.P., Novikov I.D. Black Hole Physics. Basic Concepts and New Developments. Fundamental Theories of Physics, vol. 96. Kluwer Academic Publ., 1998. 770 p.
15. Klimenko A.V., Klimenko V.A. Razlichayet li gravitatsiya fotony razlichnykh spiral'nostey? [Does the gravity distinguish between photons of different helicity?]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2015, no. 22 (377), pp. 148-154. (In Russ.).
16. Klimenko A.V., Klimenko V.A. Gravitatsionnoye rasshchepleniye spektral'nykh liniy [Gravitational splitting of spectral lines]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2015, no. 22 (377), pp. 163-170. (In Russ.).
17. Klimenko A.V., Klimenko V.A. Miry i antimiry [Worlds and antiworlds]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2013, no. 19 (310), pp. 100-109. (In Russ.).
18. Charman A.E. Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen. The ALPHA Collaboration Nature Communications. 2013. Available at: http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2787. html, accessed 01.10.2016.
Accepted article received 15.10.2016 Corrections received 05.11.2016
