CC BY
38
Иван Сивцов,
научный сотрудник Центра теоретической физики Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, кандидат физико-математических наук, PhD Университета Рима «Ла Сапиенца»
Григорий Верещагин,
профессор Международного центра релятивистской астрофизики ICRANet (Италия), доктор физико-математических наук
В конце 1960-х гг. противостояние между социалистическим и капиталистическим лагерями достигало очередного пика: шла война во Вьетнаме, развивалась гонка за первенство в области космических полетов. Военные с обеих сторон совершенствовали ядерное и термоядерное оружие, а дипломаты пытались договориться. Иногда это получалось - в 1963 г. Хрущев и Кеннеди подписали договор о запрете испытаний ядерного оружия в трех средах. Однако дипломаты заключают соглашения, а военные подозревают худшее по принципу «Доверяй, но проверяй!». Потому США инициировали программу «Vela», в рамках которой запустили пары спутников, детектирующих рентгеновское и гамма-излучение, которое рождается в момент ядерного взрыва. Таким образом, можно было постоянно наблюдать, не ведет ли Советский Союз ядерные испытания в космосе.
С Земли делать это невозможно: такие излучения поглощаются атмосферой.
За все время действия программы - с 1964 по 1970 гг.- 6 пар запущенных спутников (рис. 1) ни разу не засекли ядерного испытания в космосе. Однако при ручной, а потом и при автоматической проверке записей Рэй Клебесадел и другие
Рис. 1. Пара спутников «Vela-5A/B» перед запуском
Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/FileVela5b.jpg
КАК МЫСЛИТ ВСЕЛЕННАЯ
Рис. 2. Комтоновская гамма-обсерватория в момент запуска
Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Compton_Gamma_Ray_Observatory_grappeled_by_Atlantis_(S37-99-056).jpg
Рис. 3. Подборка различных кривых блеска гамма-всплесков, зарегистрированных ВДТББ
Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/FileGRB_BATSE_12lightcurves.png
сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории обнаружили несколько событий, похожих на вспышки излучения ядерного взрыва, но намного более длинных -до нескольких секунд. После накопления данных стало понятно, что источники этого излучения лежат вне нашей планетарной системы. Военные потеряли интерес к теме, и результаты было разрешено рассекретить.
В 1973 г. в журнале Astrophysical Journal была опубликована первая статья о гамма-всплесках. Было совершенно непонятно, что их рождает, так как в области локализации любого из них содержались тысячи звезд нашей Галактики, а также тысячи галактик, - проблема напоминала поиски иголки в стоге сена. При этом стоит учесть, что всплеск длится считанные секунды и не повторяется. Не помогало даже то, что гамма-всплески очень яркие - самые мощные из них сияют в максимуме сильнее всей остальной видимой Вселенной. Ситуация была раем для теоретиков и адом для экспериментаторов: как шутили астрономы, в какой-то момент гипотез о происхождении гамма-всплесков стало больше, чем самих гамма-всплесков. Неизвестно, было ли так на самом деле, однако к 1991 г. один из списков гипотез содержал более 400 пунктов.
К этому времени специально сконструированный для поиска и локализации так называемых транзиентов - быстро проходящих событий - инструмент BATSE на борту Комптоновской гамма-обсерватории (рис. 2) начал детектировать примерно по одному всплеску каждый день, набрав за годы работы сведения по более чем 2700 всплескам. Данные спут-
ТЕМА НОМЕРА
ника продемонстрировали «зоопарк» возможных кривых блеска гамма-всплесков (рис. 3), тем не менее позволив разделить их на два основных класса по длительности -короткие (до 2 секунд) и длинные (более 2 секунд),- и оставили только две возможные гипотезы о происхождении гамма-всплесков: либо они приходят к нам от отдаленных галактик и имеют космологическое происхождение, либо их источники сосредоточены в так называемом внешнем гало нашей Галактики, в масштабах которого сдвиг Солнечной системы от центра Галактики несущественен. Это следовало из высокой равномерности распределения всплесков по небесной сфере (рис. 4).
Решение данной дилеммы было возможно только благодаря идентификации источников всплесков, для чего предложили искать послесвечения на месте гамма-всплесков в рентгеновском диапазоне, телескопы в котором имеют намного лучшее разрешение. Эксперименты вновь требовалось проводить со спутников, и, как это часто бывает, между различными группами ученых развернулось соревно-
Рис. 4. Расположение 2704 зарегистрированных BATSE гамма-всплесков
Источник: https://commonswikimedia.org/wiki/FileBATSE_2704.jpg
Рис. 5. Первое обнаруженное BeppoSAX послесвечение гамма-всплеска GRB 970228
Источник: http://www.asdc.asi.it/bepposax/first/grb970228.html
вание. Один проект готовило NASA совместно с Аргентиной (HETE), а другой - итальянско-голландская команда (BeppoSAX). Спутник NASA в 1996 г. не смог отделиться от ракеты и был потерян, а вот BeppoSAX был успешно развернут на орбите. К этому времени наладилась сеть быстрого реагирования астрономов на транзи-енты: благодаря электронной почте проекта GCN (The Gamma-ray Coordinates Network) телескопы могли получить данные о локализации буквально через минуты после всплеска. С помощью BeppoSAX в течение нескольких месяцев удалось локализовать послесвечение гамма-всплесков (рис. 5), но некоторое время не удавалось распознать, что же находится в этом месте.
Момент истины настал 8 мая 1997 г., примерно через 30 лет после первой регистрации гамма-всплеска. На месте всплеска GRB970508 (рис. 6) было обнаружено оптическое послесвечение с источником, удаленным от Земли минимум на 9 млрд световых лет, что окончательно доказало космологическое
происхождение гамма-всплесков.
Затем удалось установить, что они в основном концентрируются в области голубых галактик, в которых идет интенсивное звездообразование, и что некоторые всплески можно ассоциировать со вспышками сверх- и гиперновых звезд.
Неоценимую помощь в этих исследованиях оказали многие спутники-обсерватории, но основную работу выполнили два из них: многодиапазонные Swift (рис. 7) и Fermi (рис. 8), которые были запущены
Рис. 6. Кривая блеска ВДТББ гамма-всплеска СЯВ970508 - первого доказанного космологического гамма-всплеска
Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/FHeGrb_6225_14.gif
2М5 2006 20М дан 2imi 2(ш 2012 201s mt 2015
» ss 1« м м я» « а м м течлп
Рис. 7 Первая тысяча гамма-всплесков, локализованных спутником Swift к 2015 г.
Источник: https://www.nasa.gov/feature/goddard/nasas-swift-spots-its-thousandth-gamma-ray-burst
в 2004 и 2008 гг. соответственно и продолжают работу на орбите по сей день. Первый вдобавок к рентгеновским инструментам оснащен также ультрафиолетовым и оптическим телескопами
\ \
Рис. 8. Спутник Fermi
Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/ Filefermi_telescope_illustrationj01.jpg
и разворачивается на орбите на новые всплески автоматически. Это позволяет быстро локализовать некоторые всплески по послесвечению с точностью, достаточной для дополнения работы космических обсерваторий многочисленными наземными оптическими и радиотелескопами и группами обслуживающих их ученых, что делает
работу по гамма-всплескам одним из самых крупных научных проектов современности (рис. 9). Важным моментом является скорость реакции инструмента, так как сам всплеск может быть
очень
коротким, поэтому в последнее время к этим «забегам на скорость» все чаще присоединяются автоматические телескопы, среди которых выделяется проект MASTER с лидирующим российским участием. Сигналы от гамма-всплесков ищут также в гравитационных волнах и нейтрино, что делает эту область настоящей многоканальной астрономией. Интересно, что астрономы-любители также помогают профессионалам - некоторые ценные данные по раннему оптическому послесвечению всплесков предоставлены именно ими.
Исследования гамма-всплесков далеки от завершения. Основная неопределенность по-прежнему связана с их источниками. Большинство ученых сходится во мнении, что такой мощный выброс энергии может быть вызван только процессом коллапса, когда вещество, сжимаясь под действием гравитационных сил, формирует нейтронную звезду или черную дыру. Разнообразие гамма-всплесков, энергии которых простираются от 1048 до 1055 эрг, а длительности -от долей до сотен секунд, вероятно, свидетельствует и о разнообразии их источников. Считается, что излучение гамма-всплесков происходит не изотропно, а в виде двух узких пучков, так называемых дже-тов. По длительности все всплески можно разделить на короткие, типично с меньшими энергиями и более жестким излучением, и длинные - с большей энергией и более мягким излучением. Короткие всплески обычно связывают с про-
GftB ¡30«?A
Fn)m vinbfc Ligt« № Cammi fliyv
Tlmf ilnlf Frfin ИИ "Нщг
Рис. 9. Кривые блеска всплеска GRB 130427A в различных диапазонах
Источник: https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/ monster-burst-challenges-theories/
цессами слияния двойных компактных звезд, а длинные - со взрывами сверхновых и гиперновых. В этой связи большим достижением стало предсказание группой ученых 1СЯА№1 под руководством Р. Руф-фини появления сверхновой звезды SN2013cq на месте гамма-всплеска 0Б.В130427А. Непосредственный прорыв в многоканальной астрономии - обнаружение ассоциации гравитационно-волнового события ОШ170817 с коротким гамма-всплеском 0ЯВ170817А (рис. 10), что прямо подтвердило: источником такого всплеска является килоновая - слияние двух нейтронных звезд за счет потери орбитальной энергии на излучение гравитационных волн. Тем не менее загадку представляет собой спектр гамма-всплесков: хотя они разнообразны так же, как и кривые
Рис. 10. Короткий гамма-всплеск GRB170817A и гравитационно-волновое событие GW170817
Источник: https://fermi.gsfc.nasa.gov/fermi10/fridays/01122018.html
10" —I-1-1-1-1-г
Ijjfl _I_I_1_I_I_I_
i(f 1(?! 10'1 10" Ю' 107 10s 10' 1<Я
Photon Energy (MeV]
Рис. 11. Типичный спектр гамма-всплеска и область чувствительности инструментов GBM и LAT спутника Fermi
Источник: https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/data/analysis/documentation/Cicerone/ Cicerone_GRBs/Overview_GRB_Spec_Anal.html
блеска, типичный спектр (рис. 11) не находит пока своего объяснения в моделях ни синхротронного, ни фотосферного излучений.
Несмотря на колоссальную удаленность источников гамма-всплесков, их воздействие на Землю не стоит недооценивать. Мощный гамма-всплеск в нашей Галактике может выжечь обращенную к нему половину планеты. К счастью, они случаются редко - примерно раз в 10 млрд лет. Но даже далекие всплески возмущают ионосферу подобно солнечным бурям, приводя к помехам связи и сбоям в работе электрооборудования.
Изучение гамма-всплесков, как и других астрофизических явлений, позволяет, с одной стороны, формулировать и проверять новые физические закономерности, а с другой - стимулирует создание и совершенствование новейших технологий, которые обеспечивают прогресс нашей цивилизации. Именно астрофизика и космология являются сейчас наиболее приоритетными научными направлениями, растет число обсерваторий и астрофизических центров, с помощью которых человек все увереннее вглядывается в глубины Вселенной. СИ
