Один гамма-всплеск – и прощай, человечество ? Так ли это….

14:30 24/12/2017
👁 218

Как гамма-всплеск превратит Землю в радиоактивную пустыню: смертоносный космос

Научные открытия все больше подтверждают зыбкость нашего существования и настраивают на философский лад относительно будущего человеческого рода. Ученые рассчитали расстояние, на котором один-единственный гамма-всплеск, случись он вблизи Солнечной системы, не оставит ничего живого на Земле.

Из-за чего происходят гамма-всплески, так и не ясно. Только недавно исследователям удалось сопоставить некоторые случаи с поведением видимых космических объектов, однако все они находились далеко за пределами нашей Галактики.

Предполагается, что источниками возмущений, которые сопровождаются мощнейшими выбросами энергии (свечение одного всплеска может перекрывать свечение всех окружающих галактик), являются столкновения нейтронных звезд или черных дыр, а также превращение гигантских звезд в черные дыры.

Если гамма-всплеск случится в пределах нашей Галактики, разразится настоящая катастрофа, ну а если его источник окажется в пределах 6 тыс. световых лет от Земли, планете грозит полное опустошение. Дело в том, что гамма-излучение расщепляет озон. С помощью компьютерной модели удалось рассчитать, что в случае гамма-всплеска за несколько недель исчезнет половина озонового слоя Земли. Тогда планктон и все другие формы морской жизни, обитающие на глубине до 2 м от поверхности воды, неизбежно погибнут. А так как планктоном питается большинство представителей морской фауны, для них это станет настоящей катастрофой.

Исследователи утверждают, что именно в результате подобного явления вблизи Солнечной системы примерно 450 млн лет назад произошло массовое вымирание живых существ. Тогда исчезло около 60% видов морских беспозвоночных. До последнего времени считалось, что главной причиной вымирания стало наступление Ледникового периода. Однако, по мнению ученых, гамма-всплеск также должен был вызвать мощное похолодание и усугубить положение обреченных.

К несчастью, в настоящий момент не существует не только средств защиты от последствий гамма-всплесков, но и систем их прогнозирования.

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.

Это уже старая история, перейдем сразу к результату: большинство (которое не всегда право, но иногда бывает) исследователей постепенно, после жестоких баталий, 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.

Где гром, там должна быть и молния.

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 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 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 = m c2). 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 m c2, 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 10000 в год.

В видимой Вселенной около миллиарда галактик. Получается около одного всплеска в миллион лет на галактику для оценки полного числа 1000 в год и 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 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, 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 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.

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 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 g = 1/Ц(1-v2/c2) — энергия тела равна энергии массы покоя, умноженной на g, время на летящем объекте замедляется в g 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/g 2 раз) там, где излучение продолжалось дни.

Сценарии и персонажи

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.

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 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.

Специалисты в различных областях науки привыкли к тому, что излагаемые в средствах массовой информации научные факты зачастую преподносятся как невероятные сенсации, будоражащие воображение читателей или слушателей. Возможно, в еще большей степени это относится к новейшим результатам в области астрономии. В начале мая 1998 года, точнее вечером 6-го мая, в США и по электронным каналам (Интернет) был распространен пресс-релиз НАСА, в котором сообщалось об измерении коллективом американских и итальянских астрономов на 10-м телескопе им. Кека (США) красного смещения слабой галактики, которая видна на месте гамма-всплеска GRB 971214, зарегистрированного итало-голландским спутником BeppoSAX 12 декабря 1997 г.

Официальная научая информация появилась в виде серии статей в номере журнала “Nature” от 7 мая 1998 г. (Kulkarni S.R. et al., Nature, 393, 35; Halpern et al., Nature, 393, 41; Ramaprakash A.N. et al., Nature, 393, 43). Красное смещение в спектре этой галактики оказалось крайне большим, z=3.418, т.е. свет от нее был испущен в момент, когда возраст Вселенной составлял всего 1/7 от современного значения (12 млрд. лет). Фотометрическое расстояние до этой галактики определяется по красному смещению и равно 1028 см. Затем по измеренной на Земле освещенности гамма-излучения от этого всплеска (10-5 эрг см-2 в диапазоне энергий >20 кэВ) можно восстановить полное энерговыделение: в одном только гамма-диапазоне оно оказалось невероятно большим. Эта энергия составляет 20% от энергии массы покоя Солнца и в 50 раз превосходит всю энергию, которая излучится Солнцем за все время его существования. И все это – за те 30 с, которые длился гамма-всплеск!

Пиковая светимость (энерговыделение) в течение нескольких сотых долей секунды составила 1055 эрг/с, что соответствует электромагнитной светимости половины всех звезд Вселенной. Поразительное явление, не правда ли? Чтобы еще больше заинтриговать читателя авторы делают оценку максимальной плотности энергии вблизи места этого энерговыделения и показывают, что она сравнима с той, которая имела место в горячей Вселенной спустя 1 с после начала расширения (“Большого Взрыва“), в эпоху первичного нуклеосинтеза. Чтобы хладнокровно проанализировать это новое открытие, сперва кратко напомним бурную историю исследования гамма-всплесков.

Эта проблема широко известна в астрофизике и неоднократно освещалась в отечественных научных журналах (см. например, Б.И.Лучков, И.Г.Митрофанов, И.Л.Розенталь, “Успехи физических наук” … ; или заметку “Земное эхо космических катастроф”, Природа, 1996, No 5). Oткрытые в конце 60-х гг. американскими военными спутниками “Вела”, эти удивительные явления природы долгое время оставались полнейшей загадкой. Они характеризуются равномерным распределением по небесной сфере, длятся от нескольких секунд до сотен секунд, и имеют разнообразные временные и спектральные свойства. До недавнего времени их плохая локализация (с точностью до 1 град.) не позволяла наблюдать их в других диапазонах электромагнитного спектра. В начале 90-х гг. на орбиту был запущен американский специализированный спутник для наблюдения в гамма-диапазоне (гамма-обсерватория им. Комптона, CGRO), на котором специально установлен всенаправленный монитор гамма-всплесков BATSE. Этот прибор имеет максимальную чувствительность в диапазоне энергий 30-500 кэВ и позволяет регистрировать очень слабые потоки гамма-излучения от источников, создающих на Земле предельную освещенность около 10-7 эрг/см-2. Основной научный результат, полученный BATSE – подтверждение высокой степени изотропии распределения источников гамма-всплесков по небесной сфере и построение зависимости числа источников от интенсивности принимаемого потока (т.н. зависимость ). Анализ этой зависимости показывает, что источники не могут быть распределены в пространстве с постоянной плотностью. Это не оставляет шансов моделям гамма-всплесков, связанных с источника внутри диска Галактики (на расстояниях ближе 100 пк).

Таким образом, на начало 1997 г. мнения астрофизиков относительно природы гамма-всплесков разделились примерно поровну между двумя моделями – моделью источников в протяженном гало вокруг Галактики (до 100 кпк), и моделью источников на космологических расстояниях (>100 Мпк). Последняя модель очевидно требовала существенно большего энерговыделения во всплеске – до 1051 эрг/с, что сравнимо с энерговыделением во время вспышки сверхновой. Но в отличие от сверхновой, при вспышке которой основная энергия выделяется в виде нейтрино, эта энергия излучается в виде электромагнитных волн. Более того, наблюдаемая частота вспышек сверхновых в галактиках (около 1 за 30-100 лет) в 1000 раз больше, чем требуется в рамках космологической гипотезы (1 раз в миллион лет на типичную галактику). Наиболее популярной моделью источников космологических гамма-всплесков стали слияния тесных двойных нейтронных звезд, пар нейтронная звезда – черная дыра или же двух черных дыр. Частота таких событий (около одного раза в 10000-100000 лет для типичной галактики) с запасом достаточна для космологической модели. Впервые такая возможность обсуждалась в 1984 г. в работах отечественных астрофизиков С.И.Блинникова из ИТЭФ и группы И.Д.Новикова (Т.В.Переводчикова, А.Г.Полнарев) из ИКИ АН СССР. Для выбора между двумя моделями требовалась независимая оценка расстояний до гамма-всплесков.

Ситуация стала резко меняться с конца февраля 1997 г., когда с борта специализированного итало-голландского спутника BeppoSAX были получены весьма точные координаты всплеска, произошедшего 28 февраля 1997 г. История этого спутника весьма любопытна. Его характерной особенностью является способность не только регистрировать гамма-всплески (хотя и с на порядок худшей, чем BATSE, чувствительностью по потоку), но и быстро, всего через несколько часов, наводить на область гамма-всплеска рентгеновский телескоп. И если спектр гамма-всплеска (или же связанного с этим явлением послесвечения в более мягких диапазонах) продолжается в область более низких энергий (рентген, оптика, радио), можно ожидать “увидеть” рентгеновское послесвечение, а точность определения положения рентгеновских источников существенно выше, чем гамма-источников — порядка нескольких минут дуги. Эта нехитрая логика 100-процентно оправдала себя, и замеченное через несколько часов после всплеска 28 февраля 1997 г. затухающее рентгеновское излучение было обнаружено. Была выдана ошибка положения (как говорят, бокс ошибок) в несколько минут дуги, и буквально на следующий же день внутри этого бокса ошибок многие крупные оптические наземные телескопы обнаружили очень слабую звездочку, блеск которой монотонно уменьшался со временем. Необычность этого оптического транзиентного источника заключалась в его голубом цвете и законе спадания потока оптического излучения со временем как t-1.1, который до сих пор не наблюдался ни от одного известноо астрономического источника.

Более того, тщательные наблюдения, проведенные с борта космического телескопа им. Хаббла в конце марта-начале апреля, обнаружили слабое асимметричное туманное пятнышко вокруг затухающего оптического источника. Проведенные спустя полгода наблюдения подтвердили неизменность блеска этого туманного объекта (сам оптический транзиент к тому времени перестал быть видимым), потвердив тем самым, что это далекая галактика. Если всплеск GRB970228 произошел именно в ней (а не явился случайной проекцией более близкого объекта на далекую галактику), то самые твердые сторонники космологической гипотезы могли торжествовать. По косвенным оценкам, красное смещение до этой галактики (впрямую не измеренное из-за ее слабости) должно было быть около 0.7. Спутник BeppoSAX регистрирует примерно 1 гамма-всплеск в месяц, и новые сенсации не заставили долго ждать. В спектре оптического послесвечения от всплеска 8 мая 1997 г.были обнаружены системы линий поглощения и излучения, длина волны которых была смещена в красную сторону, указывая на красное смещение z=0.835. А это уже не ближний космос (расстояния порядка 1 Гпк). Причем в отличие от GRB970228, галактики вокруг майского всплеска не было обнаружено. Зато продолжительность послесвечения оказалась рекордно долгой – около 200 дней послесвечение затухало по степенному закону, а затем спад прекратился, что было проинтерпретировано как выход на блеск “хозяйской галактики”, в которой произошел этот гамма-всплеск, но саму которую не было видно на фоне более мощного излучения от оптического послесвечения. Эта возможная галактика заведомо должна иметь красное смещение z>0.835. Тут уже и более устойчивые противники космологической гипотезы поколебались.

Наконец, наблюдение на телескопе им. Кека “хозяйской галактики” всплеска 981214 и определение ее огромного красного смещения почти не оставили соменения в справедливости космологической природы гамма-всплесков. Почему почти? Как признают сами авторы, вероятность случайного наложения гамма-всплесков на далекие галактики довольно высока, порядка 1%. К тому же есть некоторая вероятность ошибочного определения красного смещения. Даже если последнее верно, оно должно быть порядка 0.4. Есть и косвенные наблюдательные данные, которые делают отождествления оптических послесвечений с далекими галактиками достаточно уверенными. Речь идет о чрезвычайно красном спектре некоторых оптических послесвечений, свидетельствующем о большом поглощении оптического излучения пылью и газом (по крайней мере R=1 зв. величин для 971214 и R=5 зв. величин для 980329). По-видимому, это поглощение света происходит вблизи места образования этого послесвечения, а значительная концентрация пыли и газа наблюдается только в дисках галактик и особенно в местах активного звездообразования.

Теперь кратко суммируем наблюдательные факты, полученные в результате тщательного изучения бокса ошибок рентгеновских двойников гамма-всплесков наземными оптическими и радиотелескопами.

Все гамма-всплески сопровождаются рентгеновским послесвечением.
Почти в половине случаев наблюдается оптическое и радио послесвечение с потоком, спадающим как по степенному закону от времени.

В 5 случаях (970228, 970508, 971214, 980326, 980329) с большой степенью уверенностью можно говорить о “хозяйских галактиках”, в которых произошли эти гамма-всплески.

По крайней мере в двух случаях (970508 и 971214) расстояние до источника более 1 Гпк.

Итак, твердо встав на позицию космологичекой природы гамма-всплесков, требуется объяснение столь высокому энерговыделению в виде электромагнитного излучения, форме и временному поведению спектров самих гамма-всплесков и их рентгеновских, оптических и радио двойников, частоты происхождения и т.д. Как упоминалось выше, слияния двух компактных звезд (нейтронных звезд или черных дыр) безраздельно претендовали на роль источника энергии гамма-всплесков. Детали этой модели крайне плохо изучены ввиду сложности физических процессов при таком событии. Повторяем, основной аргумент сводился к достаточности потенциально выделяемой энергии (1053 эрг), достаточной частосты событий (в среднем около 10-4 – 10-5 в год на галактику) и реальному наблюдению по крайней мере 4 двойных нейтронных звезд в виде двойных радиопульсаров, невидимая звезда в которых имеет массу около 1.4 массы Солнца (типичная масса нейтронной звезды) и крайне компактна.

Попытки рассчитать процесс слияния (даже с использованием наимощнейших компьютеров) пока не привели к заметным успехам в моделировании реалистического гамма-всплеска. В середине 1997 г. американский астрофизик польского происхождения Б.Пачиньский выдвинул альтернативную гипотезу возможного источника энергии. Важнейшее требование к моделям космологических гамма-всплесков состоит в получении в результате некоторого физического процесса оболочки с массой около 10-5-10-6 Mo, расширяющейся с релятивистскими скоростями (начальный Лоренц-фактор порядка 100). Столкновение такой оболочки с окружающим межзвездным (межгалактическим) веществом приводит к явлению гамма-всплеска. Это т.н. модель расширяющейся релятивистской плазмы (называется также. модель “огненного шара” или файербола), рассматриваемая с конца 70-х гг. для различных астрофизических источников, в т.ч. и для гамма-всплесков. Основополагающие работы были сделаны английским астрофизиком Мартином Рисом (M.Rees), американским астрофизиком Питером Месарошем (P.Meszaros) и др. Сразу после открытия первого оптического послесвечения от гамма-всплеска 970228 появился поток работ, в которых это явление (степенные зависимости, вид спектра, предсказание радиоизлучения) полностью объяснялось моделью релятивистского файербола, и в настоящее время мало у кого остались сомнения в правильности этой модели.

Однако что же может вызывать релятивистское расширение оболочки? Модель Пачиньского предлагает в качестве источника энергии коллапс очень массивной звезды с образованием быстровращающейся черной дыры. Как известно, энергию вращения черной дыры можно извлекать, если черная дыра окружена плазмой с магнитным полем (механизм Блэндфорда-Знаека). Как предлагает Пачиньский, столь высокие напряженности магнитного поля возможны при коллапсе конвективного ядра массивной звезды. Для того, чтобы черная дыра обладала максимально быстрым вращением, звезда перед коллапсом должна находиться в тесной двойной системе, чтобы вращение ядра было синхронизовано с орбитальным обращением компонент действием приливных сил. Как только образуется черная дыра, она начинает “перекачивать” энергию вращения в оболочку (сам процесс перекачки предлагается связать с сильным магнитным полем), и за короткое время порядка 1-100 с кинетическая энергия оболочки может стать очень большой, около 1054 эрг. Это на несколько порядков больше типичных энергий, передаваемых оболочке при вспышке сверхновой, поэтому Пачиньский предложил термин “гиперновая” для такого явления.

При такой энергии самые внешние слои оболочки могут ускориться до требуемых релятивистских скоростей и произвести гамма-всплеск. Следует отметить, что идея перекачки энергии вращения в оболочку с помощью магнитного поля выдвигалась еще в 1970 г. российским астрофизиком Г.С.Бисноватым-Коганом (т.н. магнито-вращательный механизм сброса оболочки сверхновой). Поскольку время жизни массивной звезды около 1 млн. лет, такие “гиперновые” должны происходить в местах активного звездообразования. Не исключено, что большое поглощение в оптическом послесвечении некоторых гамма-всплесков подтверждает их связь с областями повышенной плотности пыли и газа, в которых идет активное звездообразование. Есть ли альтернативное объяснение столь высокому энерговыделению? Теоретически остается возможность огромного энерговыделения при слиянии двух черных дыр или пар нейтронная звезда – черная дыра.

Некоторые исследователи полагают, что слияние двух нейтронных звезд менее вероятно, так как во-первых характерное время между образованием и слиянием такой системы из-за уноса орбитального момента импульса гравитационным излучением порядка 1 млрд. лет, а за это время система может уйти на значительные расстояния от места образования из-за высокой пространственной скорости 100-300 км/с, приобретаемой при двух вспышках сверхновых в ходе эволюции. Во-вторых, согласно расчетам аннигиляции нейтрино-антинейтрино в электрон-позитронные пары при слиянии нейтронных звезд, ожидаемая энергия файербола не превышает 1050 эрг, что недостаточно для объяснения наблюдаемой энергетики. К сожалению, провести реалистический расчет слияния нейтронной звезды и черной дыры или двух нейтронных звезд пока не удалось.

Разумеется, рассчеты таких космических катастроф, как слияния двух нейтронных звезд находятся в зачаточном состоянии, и было бы преждевременно утверждать, что поставлена точка в тридцатилетней истории исследования космических гамма-всплесков. Новые данные поступают очень быстро, и можно смело говорить о качественно новом этапе исследования проблемы космических гамма-всплесков. Сомнений в том, что они связаны с самыми грандиозными природными катастрофами, почти не осталось. Если в деле замешаны двойные нейтронные звезды или черные дыры, то окончательная проверка модели будет получена с введением в строй в начале 2000 г. многокилометровых лазерных интерферометров для детектирования гравитационных волн типа LIGO/VIRGO, строительство которых вступает в завершающую фазу – гамма-всплеску будет предшествовать мощный гравитационно-волновой сигнал характерной формы.

Если таких сигналов от ярчайших гамма-всплесков не будет обнаружено, то придется от этой модели отказаться. Хотя для скептически настроенных исследователей можно напомнить знаменитую дискуссию между Эддингтоном, предлагавшим ядерные реакции в центре звезд как источник звездной энергии, и Эйнштейном, считавшим, что температура в центре звезды не достаточна для преодоления кулоновского барьера при сближении двух протонов. Как известо, Эддингтон ответил: “Поищите-ка место погорячее!”. Новые результаты в этой самой “горячей” области современной астрофизики поступают столь быстро, что писать законченный рассказ о гамма-всплесках – пустая затея. Остановимся на сказанном и будем с нетерпением ждать новостей об оптических, радио и рентгеновских послесвечениях гамма-всплесков и их хозяйских галактиках.

Канал PBS Space Time изучил феномен гамма-всплеска — выброса гамма-излучения феноменальной яркости и силы, которое в прошлом вызвало глобальное вымирание живых организмов на Земле и может произойти снова в будущем.

Когда поэут Роберт Фрост размышлял о том, каким будет конец мира — огненным адом или ледяной пустыней — ему в голову пришел еще один интересный вариант: гамма-всплеск (GRB). Канал PBS Space Time проанализировал гипотетический вариант конца света, порожденного космосом, и рассказал о том, как вся жизнь на Земле может медленно, но верно исчезнуть с лица Голубой планеты.

GRB — это кратковременный всплеск гамма-излучения, масштабный космический выброс энергии взрывного характера и невероятной яркости. Подобное попросту невозможно воспринять человеческим глазом: свечение будет в миллион триллионов раз ярче нашего Солнца! Такие всплески действительно существуют во Вселенной, но весьма редки: к примеру, их испускают сверхновые после смерти, да и то не все.

Гамма-всплески в космосе кажутся случайным явлением и происходят довольно быстро, и эти обстоятельства сильно затрудняют изучение феномена. Однако астрономам известно достаточно, чтобы сделать неутешительный прогноз: если подобное явление произойдет в сравнительной близости от Солнечной системы, нас ждут не лучшие времена.

Наша атмосфера достаточно плотная, чтобы выдержать импульсную волну, но планету убьет вовсе не она, а долгосрочный эффект от выброса. Гамма-лучи начнут разрывать связь между молекулами азота и кислорода в атмосфере. Как результат — глобальное переохлаждение, воздействие уже ничем не сдерживаемой солнечной радиации и аномальные дожди из азотной кислоты.

Считается, что именно гамма-всплеск спровоцировал ордовикско-силурийское вымирание около 450−440 миллионов лет назад. Это второе по масштабам вымирание в истории Земли, если судить по потерям в количестве живых организмов!

Гамма-всплески: проявления активности гамма-излучения не столь уж редко встречаются в космическом пространстве. Поэтому стоит обратить внимание и продолжать изучать столь грозное явление, как гамма-всплески.

Источник 1 и Источник 2

Источник

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *