Астронет: В. М. Липунов /Коуровка Гамма-всплески и телескопы-роботы на примере системы МАСТЕР http://variable-stars.ru/db/msg/1210109/node2.html

<< Титульный лист | Оглавление | 2. Телескопы-роботы >>

1. Гамма-всплески

Тайны природы и истории иногда тесно переплетаются. После подписания договора о запрете ядерных испытаний в трех средах в 1964 г. Пентагон запустил несколько военных спутников с целью контроля за ядерными испытаниями потенциальных противников и союзников. Идея слежения проста: подрыв ядерного устройства на поверхности или в атмосфере сопровождается коротким всплеском гамма-излучения. Если на околоземной орбите расположить несколько гамма-детекторов, то по временной задержке импульсов можно определить, какая из стран нарушает договор о ядерном воздержании. Вскоре выяснилось, что кроме Франции и Китая конвенция нарушается некой третьей державой, расположенной в созвездии Большой Медведицы. Гамма-всплески приходили из космоса! Лишь через несколько лет эти данные были рассекречены и предоставлены к обдумыванию астрономам, и вот уже почти тридцать лет бывшая военная тайна остается самой большой научной загадкой современной астрофизики. Все попытки найти источники гамма-всплесков заканчивались полным провалом. Создавалось впечатление, что они приходят из пустоты

Поражала высокая частота событий - всплески регистрировались почти каждый день, что впервые было установленно в прекрасном советском эксперименте "Конус", осуществленном под руководством Е. П. Мазеца на космических аппаратах "Венера-11, 12" и "Прогноз" в 70-е гг.

Но еще более удивительным оказалось то, что всплески с равной вероятностью приходят с любого направления (распределены изотропно), но в пространстве расположены неоднородно! Последнее обстоятельство устанавливается путем статистического анализа зависимости частоты событий от интенсивности всплеска вблизи Земли. Это знаменитая зависимость "LogN - LogS". Она весьма полезна, когда ничего не известно о расстояниях до объектов. В плоском эвклидовом пространстве, однородно заполненном объектами, зависимость имеет наклон -3/2. Действительно, поток энергии, падающий на приемник, обратно пропорционален квадрату расстояния до источника:

а число источников ярче F пропорциально объему сферы радиуса R:  .

Oткуда следует, что

В ХVIII в. Уильям Гершель, анализируя эту зависимость для звезд, установил, что наша Галактика плоская, точнее, имеет дискообразную форму. Млечный Путь, видимый простым глазом в ясную безлунную ночь, не что иное, как наша Галактика, точнее, все ее неблизкие звезды, слившиеся в одну светящуюся полосу. А как выглядит "галактика" гамма-всплесков? Есть ли у нее своя полоса, состоящая из слабых всплесков? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь координаты и яркость как можно большего числа всплесков.

Эксперимент, поставленный на американской орбитальной гамма-обсерватории имени Артура Комптона (Compton Gamma Ray Observatory - CGRO), позволил обнаружить более 2000 новых всплесков, и оказалось, что наклона -3/2 практически нигде нет (см. рис. 2), а по небу источники распределены изотропно. Странная получается "галактика". Распределение по потокам показывает, что она дискообразная, а на небе никаких следов Млечного Пути нет!

Ничего подобного в нашей Галактике быть не может. Но в нашей Вселенной есть один практически идеально изотропный объект - это сама Вселенная! Имено это заставило многих ученых отказаться от галактической модели гамма-всплесков. Правда, не всех, и астрономическое сообщество разделилось на две примерно равные части в соответствии с крайними точками зрения: либо источники гамма-всплесков удалены на космологические расстояния и их изотропия связана с изотропией нашей Вселенной, либо они непосредственно окружают нашу Галактику, образуя своеобразную сферическую корону.

Если встать на космологическую точку зрения, т. е. удалить
гамма-всплески на расстояния порядка 15 млрд световых лет, то для объяснения наблюдаемой яркости всплесков нужно согласиться, что их источники - это самые мощные объекты Вселенной. Действительно, даже самые слабые из них создают у Земли поток энергии эргсмс и, следовательно, их светимость или мощность равна (сравните с формулой (1)) эргсмс.

Напомним, что до сих пор самыми мощными источниками во Вселенной считались квазары, светимость которых в 10 000 раз меньше! А ведь есть гамма-всплески и в сто раз ярче, а это уже эргс. При самом эффективном механизме переработки массы в излучение, известном сейчас в астрофизике, требуется, чтобы в течение одной секунды "вступали в реакцию" массы, примерно равные массам звезд. Не слишком ли высока цена у космологической модели?

Сторонники же космологической точки зрения, во-первых, критиковали модель короны, явно противоречащую наблюдениям, - ведь рядом с нашей есть несколько близких галактик, в том числе видимых невооруженным глазом, а вокруг них никаких корон нет. А во-вторых, космологическая гипотеза самым естественным образом объясняет кажущуюся неоднородность в распределении гамма-всплесков в пространстве. Ведь формула (2) в нашей Вселенной не верна! Все дело в общей теории относительности. В кривом пространстве объем сферы не равен и прямая LogN-LogS становится кривой с меньшим наклоном даже при однородном распределении источников!

Какой процесс может обеспечить столь высокую светимость? Требуемая энергия выделяется при вспышках сверхновых, но при этом она почти целиком уносится нейтрино (оптическая вспышка является при этом лишь бледной тенью и растянута во времени на месяцы из-за огромного количества вещества, окутывающего центр высвечивания). Вот если бы вокруг не было вещества, то излучение, не перерабатываясь в мягкие кванты, за несколько секунд уходило бы в виде гамма-всплеска.

Но именно такая ситуация и реализуется при слиянии двух НЗ! Идея о том, что слияние НЗ является причиной всплесков, высказанная еще в 1982 г. советским астрофизиком С. И. Блинниковым с соавторами, долгое время рассматривалась как наиболее вероятная.

Сейчас все более популярной становится иная модель. Если бы удалось каким-то образом при взрыве сверхновой "пробуравить" туннель до самого коллапсирующего ядра, то мы смогли бы "увидеть" жесткое гамма-излучение. Оказывается сверхновые сами могут себя "буравить". Только такие сверхновые назвали гиперновыми. Дело в том, что если при коллапсе ядро звезды быстро вращается, возникает ось симметрии, вдоль которой "выстреливает" струя релятивистских частиц, такой "джет" светится в гамма-диапазоне.

Расчеты коллапса быстровращающейся замагниченной звзезды - очень сложны и пока можно говорить лишь о некой грубой модели в которой определяющую роль играют вращение звезды и ее магнитное поле.

Появилась серия работ, в которых наблюдаемая кривая LogN-LogS объяснялась эффектами ОТО в космологии. Однако недостатком всех этих работ было одно простое обстоятельство, ведь НЗ - это результат звездной эволюции, а ведь было время (примерно 15 млрд лет назад), когда не то что звезд, не было даже галактик и, следовательно, сливающиеся НЗ распределены в наблюдаемом объеме Вселенной неоднородно! Темп слияния определяется законами эволюции (эволюционным сценарием) и историей образования звезд в нашей Вселенной (функцией звездообразования).

Эволюция двойной начинается с образования двух голубых звезд, внутри которых идет термоядерная рекция горения водорода в гелий. Затем первая, певоначально более массивная, звезда пережигает свой водород и увеличивает свой радиус, постепенно приближаясь к критической полости Роша - поверхности, разграничивающей области гравитационного влияния компонент двойной. Через 12.7 млн. лет она заполняет свою полость Роша и начинает перетекать на соседку. В результате происходит перемена ролей, - первоначально более массивная звезда становится менее массивной. Обмен массой оканчивается в тот момент, когда центральное ядро первой звезды сжимается и отделяется от оболочки. При этом в ее ядре происходит возгорание гелия. Образуется так называемая звезда типа Вольфа-Райе (WR), которая через 130 тыс. лет пережигает весь гелий и взрывается как сверхновая звезда, оставляя сверхкомпактный остаток - нейтронную звезду. Так как взрывается менее масивная звезда, система не разваливается и эволюция продолжается. Нейтронная звезда проходит несколько стадий - от состояния эжектирующей потоки релятивистских частиц быстро вращающейся звезды до медленно вращающейся аккрецирующей звезды. Но более важно, что ее соседка наконец пережигает свой водород и повторяет путь первой звезды, рождая в конце вторую нейтронную звезду: образуется система двух нейтронных звезд, одна из которых, более молодая, проявляет себя как радиопульсар. Такие системы реально сейчас наблюдаются в Галактике. Параметры двойной системы, состоящей из двух нейтронных звезд, полностью контролируются гравитационно-волновым излучением. Примерно через 12 млрд лет гравитационные волны уносят весь орбитальный момент двойной, и звезды сталкиваются, выделяя гигантскую энергию, состовляющую несколько десятков процентов энергии покоя звезд.

Знание эволюции тесных двойных позволяет ответить на вопрос о том, соответствует ли наблюдаемая функция LogN-LogS гамма-всплесков гипотезе сливающихся НЗ? Такая задача была решена нами. Прежде всего мы расcчитали эволюцию темпа слияния в некоторой галактике, все звезды которой образовались одновременно в некоторый момент времени. Фактически эта уникальная кривая, полученная с помощью специальной компьютерной программы "Машины Сценариев" описывает так называемые эллиптические галактики, в которых нет существенного звездообразования в настоящую эпоху. Это удается сделать с хорошей точностью, так как из наблюдений известна доля вещества, сосредоточенная в эллиптических и спиральных галактиках, а у последних звездообразование более-менее стационарно. Полученные кривые приводят к следующим заключениям: во-первых, наблюдаемые данные и гипотеза сливающихся НЗ находятся в хорошем согласии при определенных космологических параметрах (весьма близких к стандартным параметрам нашей Вселенной, найденных независимо по реликтовому излучению и крупномасштабной структуре Вселенной), во-вторых, расчеты показывают, что кривая LogN-LogS должна при переходе к более слабым потокам (пока еще недоступным) неизбежно изогнуться вверх (см. рис. 2). Последнее является отличным тестовым предсказанием, так как во всех других моделях ничего подобного не ожидается. Само же появление перегиба связано с тем бесспорно установленным фактом, что примерно 15 млрд лет назад в нашей Вселенной шло бурное образование звезд и галактик. Сейчас все более популярной становится иная модель. Но вернемся к наблюдениям.

Все эксперименты в гамма-астрономии до 1997 г. обладали одним решающим недостаком: они не позволяли быстро и точно определять направление на всплеск. Дело в том, что отдельный гамма-детектор дает направление в лучшем случае с точностью до одного углового градуса, так что на небе получается квадрат ошибок с площадью один квадратный градус. Наша Вселенная так велика, что в такой квадрат попадают тысячи далеких галактик и совершенно невозможно определить, с какой из них связан (и связан ли вообще) гамма-всплеск.

Идея же эксперимента BeppoSAX (Beppo - дружеское прозвище известного итальянского физика, а SAX - аббревиатура итальянского Satelito di Astronomica X, что означает "астрономический рентгеновский спутник") крайне проста и оказалась удивительно плодотворной. Итальянские и голландские ученые создали специализированный спутник, на борту которого одновременно находятся и гамма и рентгеновский телескопы. Как только гамма-телескоп фиксирует всплеск, в его квадрат ошибок направляется рентгеновский телескоп, точность которого в 60 раз выше. Если за гамма-всплеском следует вспышка рентгеновского излучения, то мы получаем координаты всплеска уже с точностью до одной угловой минуты, а в таком квадрате уже может "поработать" мощный оптический телескоп.

Спутник был запущен весной 1996 г., однако доводка его продолжалась более полугода. Хотя гамма-всплески приходят раз в день со всего неба, из-за высокой направленности спутник BeppoSAX ловит их гораздо реже - примерно раз в два месяца. Первые два всплеска дали отрицательный результат: рентгеновские телескопы не обнаружили никакого сигнала, а вот третий, вспыхнувший 28 февраля 1997 г. (GRB 970228), дал удивительный результат. После короткого гамма-всплеска, вспыхнувшего в созвездиии Ориона, появилось рентгеновское послесвечение, длившееся около суток! В руках астрономов были координаты таинственного источника с точностью одна угловая минута, и самые мощные телескопы вскоре были направлены в это место. В квадрате ошибок окзалось несколько далеких галактик, красная карликовая звезда, принадлежащая нашей Галактике и один странный оптический звездообразный объект, окруженный туманным пятнышком.

Именно он привлек внимание астрономов, ведь его блеск менялся! И не просто менялся, а с каждым днем монотонно падал, будто он и есть оптическое послесвечение гамма-всплеска. Конечно, это могла быть, например, случайно совпавшая вспышка сверхновой звезды на краю Вселенной. Но, во-первых, кривая падения блеска уж очень не походила на стандартную сверхновую, а во-вторых, вероятность такого совпадения крайне мала! Ведь сейчас астрономы ведут специальную службу открытия далеких сверхновых (например, уже в этом году открыто около полусотни далеких сверхновых), в пересчете на все небо получается 1 млн сверхновых с нужным блеском. Но телескоп-то был наведен не на все небо, а на одну квадратную угловую минуту. Легко подсчитать, что в квадратной минуте вспышки далеких сверхновых происходят раз в 500 лет!

Связь с гамма-всплеском несомненна, но удивительна. Практически никто не ожидал, что короткое, длящееся секунды явление в гамма-диапазоне может сопровождаться оптическим послесвечением, продолжающимся, как мы теперь знаем, месяцы!

Что же это за таинственное послесвечение, да еще окруженное туманным пятном? Обычно в таких ситуациях помогает спектральный анализ принимаемого излучения. В нашей расширяющейся Вселенной спектральные линии атомов, излученные в далеких объектах, смещены в красную сторону спектра из-за эффекта Доплера, причем тем сильнее, чем они дальше. Именно так были измерены расстояния до самых далеких объектов - квазаров. Но спектры оптической вспышки не содержали никаких атомных линий! А туманное пятнышко оказалось слишком слабым, так что определить по спектру, галактика это или нет, не удалось. Не смотря на грандиозный прорыв в проблеме гамма-всплесков, главный вопрос об их удаленности оставался открытым. Нужно было ждать.

В апреле был пойман еще один всплеск, но он не дал ни оптического, ни рентгеновского послесвечения

И вот наконец 8 мая 1997 г. ученые как никогда близко подошли к разгадке бывшей военной тайны. Этот, несомненно исторический гамма-всплеск сопровождался рентгеновским, радио и оптическим послесвечениями, в спектре которого были найдены линии, смещенные в красную сторону так, что соответствующее расстояние оказалось сравнимым с радиусом видимой части Вселенной. Гамма-всплески расположены на космологических расстояниях и, следовательно, являются самыми мощными явлениями в нашей Вселенной!

Ниже я привожу ту историческую телеграмму, посланную в Международный Астрономический союз:

23 января 1999 г. в 9^h47^m18^s.30 UT (мирового времени), через 22 с после начала всплеска, ROTSE I обнаружил объект 12-й звездной величины! В максимуме он был ярче 9-й звездной величины! Простите за такое количество восклицательных знаков, но ведь источник этого излучения находится на другом краю Вселенной! Это означает, что абсолютная звездная величина его ярче -30^m. Если бы такой взрыв случился в нашей Галактике на расстоянии тысячи световых лет, ночь превратилась бы в день!

С этого момента стало ясно, что для наблюдения собственного излучения гамма-всплесков необходимо создавать небольшие но полностью автоматизированные телескопы-роботы.

---

<< Титульный лист | Оглавление | 2. Телескопы-роботы >>