Хвостатые вспышки: гамма-всплески

В марте 1969 года сотрудники небольшой научной группы в Лос-Аламосе, где обрабатывалась поступающая из космоса информация, обратили внимание, что пара спутников-близнецов серии Vela-4 еще в 1967 году зарегистрировала два непродолжительных импульса гамма-излучения, которые нельзя приписать ни взрыву сверхновой, ни солнечным вспышкам, ни советским ядерным испытаниям. К лету 1973-го усовершенствованные спутники серии Vela-5 отследили уже 16 подобных вспышек. Первооткрыватели загадочного явления Рей Клибсадел и Рой Олсон, а также сотрудничавший с ними Йен Стронг сообщили об этом открытии на страницах Astrophysical Journal Letters. Короткая заметка положила начало новому научному направлению — исследованию космических гамма-всплесков, cosmic gamma-ray bursts (GRB, в русскоязычной литературе их называют также гамма-вспышками и гамма-барстерами, хотя последний термин сейчас употребляют редко).

Информация о гамма-всплесках накапливалась медленно. Поначалу детектировались только импульсы длительностью 10−30 секунд, состоящие из гамма-квантов с небольшой примесью рентгена. Со временем обнаружилось, что около 30% всех всплесков короче двух секунд, а их средняя длительность составляет лишь 300 миллисекунд. Эти импульсы отличаются большей жесткостью гамма-излучения (иначе говоря, присутствием более энергичных гамма-квантов), однако по части полной светимости уступают более продолжительным всплескам. Такие всплески стали называть короткими, а все прочие (иногда растягивающиеся на десятки минут) — длинными. Не так давно были выделены в самостоятельный класс очень короткие гамма-всплески длительностью меньше 100 миллисекунд.

В настоящее время собраны данные о нескольких тысячах гамма-вспышек различных типов. Примерно половина информации получена детектирующим комплексом BATSE (Burst and Transient Source Experiment), который стоял на борту американской космической обсерватории «Комптон», запущенной в апреле 1991 года и снятой с орбиты в июне 2000-го. Один этот прибор зарегистрировал 2704 гамма-вспышки — примерно по одной ежесуточно. Их источники не только не были сконцентрированы в плоскости нашей Галактики, но, напротив, однородно распределялись по всей небесной сфере (эту тенденцию еще в конце 1970-х выявил советский космический эксперимент «Конус»). Поэтому в 1990-х укрепилось мнение, что гамма-всплески возникают на дистанциях в миллионы и даже миллиарды световых лет от Земли (такие расстояния называют космологическими). Отсюда следовало, что для генерации всплесков необходима фантастическая энергия, вполне сравнимая с той, которая выделилась бы при полной аннигиляции небесных тел приличного размера.

Подтверждений этой гипотезы пришлось ждать еще несколько лет. Все дело было в том, что восемь детекторов комплекса BATSE локализовали расположение вспышек на небесной сфере очень приблизительно, с точностью от одного до десяти градусов (то есть от 2 до 20 угловых диаметров полной Луны). Координаты почти сотни вспышек удалось определить с меньшей погрешностью, но все же не слишком точно. Поэтому долгое время не получалось привязать гамма-всплески к конкретным источникам видимого света, расстояние до которых можно было бы измерить по красному смещению спектральных линий.

Первый шаг к преодолению этой неопределенности был сделан командой ученых во главе с голландским астрономом Яном ван Парадейсом 14 лет назад. Ученые работали с данными, полученными с итало-голландской орбитальной обсерватории BeppoSAX, которая в первую очередь предназначалась для исследований в рентгеновском диапазоне, но была оснащена детектором длинноволновых гамма-квантов с энергиями 60−600 кэВ (иногда эту область относят к верхней границе рентгеновского спектра).

28 февраля 1997 года BeppoSAX зарегистрировал вошедший в историю 80-секундный гамма-всплеск GRB 970228 (первые две цифры означают год, вторые — месяц, третьи — число). Погрешность в определении угловых координат на сей раз не превышала одной угловой минуты, и как раз на этом участке неба был выявлен чрезвычайно тусклый объект, различимый с помощью оптических телескопов. Правда, расстояние до него удалось определить лишь приблизительно, но это было только начало. 8 мая и 14 декабря BeppoSAX навел ученых еще на два длинных гамма-всплеска с оптическими двойниками, которые уж несомненно отстояли от Солнца на космологические дистанции (последний — аж на 12 млрд световых лет!).

Но это были еще цветочки. 12 января 1999 года BATSE зарегистрировал полутораминутный всплеск, источник которого удалось быстро локализовать с помощью нового роботизированного телескопа ROTSE 1, установленного на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории. Телескоп обнаружил в указанном направлении световую вспышку продолжительностью чуть больше минуты. Ее можно было бы заметить и невооруженным глазом, будь она всего раз в десять ярче, хотя от источника нас отделяли 9 млрд световых лет. В гамма-диапазоне этот всплеск выбросил около 4х1054 эрг (1 эрг = 10−7 Дж) — правда, при допущении, что он равномерно светил по всем направлениям. Такая оценка полной энергии излучения называется изотропным эквивалентом, и в данном случае он оказался равным энергии, которая выделилась бы при полной аннигиляции звезды вдвое тяжелее Солнца! Конечно, если излучение было выброшено в узком конусе, хватило бы намного меньшей энергии, и такая интерпретация в конце концов стала общепринятой. Но в любом случае теперь уже исчезли всякие сомнения в том, что гамма-всплески порождены космическими катаклизмами феноменальной мощности.

В последнее время возможности гамма-астрономии расширились благодаря новейшим космическим обсерваториям, оснащенным не только гамма-детекторами, но и телескопами, работающими на более длинных волнах. Поэтому появилась возможность оперативно отслеживать гамма-всплески даже без участия наземной аппаратуры.

Первой такой обсерваторией стал американский астроспутник HETE-2 (High Energy Transient Explorer), работавший с 2000 по 2006 год. Он определял положение гамма-всплесков с точностью до десяти угловых секунд и сделал множество открытий. Так, он обнаружил 25-секундный всплеск GRB 030329, который удалось связать со сверхновой звездой SN 2003 dh, вспыхнувшей в 2 млрд световых лет от Солнца. Это стало первой надежной демонстрацией того, что некоторые гамма-всплески сопутствуют взрывам сверхновых. Самые ранние свидетельства этого были получены в ходе наблюдения 30-секундного всплеска GRB 980425, но степень достоверности в том случае была гораздо меньшей.

За HETE-2 последовала действующая по сей день международная обсерватория Swift, выведенная на околоземную орбиту 29 ноября 2004 года. На ней стоит детектор длинноволновых гамма-квантов с энергиями 15−150 кэВ, а также телескопы — рентгеновский и оптический. Эти приборы регистрируют послесвечение гамма-всплесков и определяют их координаты с исключительно высокой точностью — до десятых долей угловой секунды. К маю 2010 года Swift отловил свыше 500 гамма-всплесков, причем более половины — с оптическим послесвечением. Одним из них был первый короткий всплеск, обладающий световым хвостом, зарегистрированный 9 мая 2005 года. На основании этого наблюдения было определено расстояние до источника и доказано, что и короткие всплески возникают на космологических дистанциях от Солнца. 19 марта 2008 года Swift заметил всплеск, сопровождающийся такой яркой вспышкой видимого света, что в течение 30 секунд ее можно было видеть без всякой оптики — и это при том, что расстояние до источника составляло 7,5 млрд световых лет! 23 апреля 2009 года Swift разглядел 10-секундный гамма-всплеск c рекордно высоким красным смещением 8,2, который был всего на 630 млн лет моложе эпохи Большого взрыва.

В последние годы немалый вклад в исследование гамма-всплесков внес космический гамма-телескоп Fermi, запущенный в космос 11 июня 2008 года. Эта обсерватория оснащена приемником гамма-всплесков с 14 кристаллическими детекторами, отслеживающими кванты с энергиями в диапазонах 8 кэВ — 1 МэВ и 150 кэВ — 30 МэВ. Основной прибор обсерватории, обзорный гамма-телескоп (Large Area Telescope, LAT), позволяет отлавливать гамма-кванты особо высоких энергий — вплоть до 300 ГэВ. 16 сентября 2008 года эта обсерватория зарегистрировала гамма-всплеск с наибольшим на сегодня изотропным энергетическим эквивалентом в 8,8х1054 эрг, что соответствует полной аннигиляции примерно пяти солнечных масс.

Новые наблюдения весьма пополнили наши знания о гамма-всплесках. Обсерватория Swift накопила богатейший архив сведений о красном смещении оптического послесвечения гамма-всплесков, позволяющем оценить расстояние до их источников. «Сейчас мы собираем информацию о том, в каких галактиках чаще всего наблюдаются источники всплесков, — объясняет "ПМ" Крисса Коувелиотоу из Центра космических полетов NASA им. Маршалла, которая первой ввела классификацию гамма-всплесков на короткие и длинные. — По предварительным данным, там меньше элементов тяжелее гелия, нежели в нашей собственной Галактике, и следовательно, возникли они на более ранних этапах эволюции Вселенной. Мы также пытаемся понять, нельзя ли воспользоваться излучением гамма-всплесков для просвечивания пространства. Если это удастся, появится возможность получить дополнительную информацию о распределении материи во Вселенной. Автоматические космические обсерватории позволяют намного лучше выявить связь между всплеском и взрывом сверхновой и усовершенствовать теоретические модели возникновения гамма-всплесков различного типа. В целом специалисты согласны с тем, что длинные всплески появляются при гравитационном коллапсе звезд-гигантов, а короткие — при столкновении и слиянии нейтронных звезд. Но здесь имеется множество нюансов, которые предстоит прояснить. К примеру, мы пока не знаем, почему излучение коротких гамма-всплесков иногда равномерно разбрасывается по всем направлениям, а иногда концентрируется внутри широкого конуса с углом раствора не менее 30º. Напротив, излучение длинных всплесков выходит через узкие конусы с типичным раствором в 5−10º, что полностью соответствует модели гибели звезд-коллапсаров».

Космический телескоп Fermi в настоящее время зарегистрировал два десятка гамма-вспышек с энергиями фотонов выше 15 ГэВ. Это очень серьезное достижение, поскольку предшествующие обсерватории никогда не сообщали о всплесках с энергиями квантов более 2 МэВ. «Эта информация представляет огромный интерес для фундаментальной физики и космологии, — говорит Линн Комински, профессор и декан факультета физики и астрономии Калифорнийского университета в округе Сонома. — Есть все основания полагать, что сверхэнергичные фотоны чувствуют квантовую природу гравитации, которая лежит за рамками общей теории относительности. Теория утверждает, что такие кванты распространяются несколько медленней, нежели фотоны меньших энергий, и поэтому преодолевают космологические дистанции с ощутимой задержкой. Это явление еще не обнаружено, но будущее покажет. Новая аппаратура также позволит выяснить, можно ли использовать гамма-всплески в качестве эталонных источников излучения. Сейчас эту роль исполняют звезды из группы цефеид и сверхновые типа Ia. Гамма-всплески намного ярче и потому пригодны для измерения космических дистанций куда большего масштаба. Наконец, есть шансы обнаружить гамма-всплески, порожденные взрывами сверхмассивных звезд первого поколения, сформировавшихся во времена, когда во Вселенной практически не было других элементов, кроме водорода и гелия. Я не побоюсь назвать эту цель святым Граалем современной гамма-астрономии».

По мнению профессора Техасского университета в Остине Крейга Уилера, возникновение длинных гамма-всплесков наилучшим образом объясняет модель, связывающую их со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд. Такие взрывы оставляют после себя или черные дыры, или магнетары — сильно намагниченные быстро вращающиеся нейтронные звезды. В соответствии с этой моделью гамма-кванты должны выбрасываться внутри узких конусов, направленных вдоль оси вращения гибнущей звезды. Их источниками, скорее всего, служат ультрарелятивистские джеты — потоки частиц, чья скорость лишь на тысячные доли процента меньше скорости света. Общая энергия коллимированных выбросов гамма-квантов должна быть в тысячи раз меньше изотропного эквивалента и поэтому даже в максимуме не превышает 1051 эрг (1044 Дж). Коллапсу очень массивной звезды вполне по силам обеспечить такой энергетический выход. Для свободного выброса гамма-квантов звезда должна избавиться от внешней водородной оболочки, иначе та поглотит большую часть излучения. «Но это лишь общая картина, — говорит Уилер. — Детали работы космических машин, преобразующих гравитационную и вращательную энергию гибнущих звезд в направленное гамма-излучение, пока еще не выяснены. В частности, нам неизвестно, какой вклад в эти процессы вносят заряженные частицы и магнитные поля и на каких расстояниях от центра коллапсара рождаются основные потоки гамма-квантов».

Наиболее популярная модель происхождения коротких всплесков утверждает, что они возникают при столкновении намагниченных нейтронных звезд, которые обращаются вокруг общего центра инерции и постепенно сближаются из-за потери энергии, уносимой гравитационными волнами. Однако у этой модели есть свои белые пятна. Крейг Уилер отмечает: «Есть и другие гипотезы, например рождение коротких всплесков в аккреционных дисках белых карликов, но они тоже недостаточно обоснованы».

Профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвид Клайн занимается изучением наикратчайших всплесков. Информация о них весьма скудная — из-за ограниченных возможностей аппаратуры. На сегодня зарегистрировано лишь несколько десятков всплесков этого типа, причем длительность некоторых из них составляла всего 11 миллисекунд. Но почти наверняка из космоса приходят всплески, измеряемые не только миллисекундами, но долями миллисекунд, просто пока нет возможности их обнаружить.

Очень короткие всплески — рекордсмены по жесткости гамма-излучения, однако максимальные энергии их фотонов еще не определены. Об их послесвечении мало что известно, но если оно действительно существует, то должно быть намного слабее послесвечения всплесков других типов.

«Вполне возможно, что для объяснения природы самых коротких всплесков не понадобятся никакие экзотические модели, — говорит Клайн, — однако я придерживаюсь мнения, что эти всплески возникают в ходе исчезновения черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и просуществовавших до современной эпохи». Такие дыры могут порождать гамма-всплески двумя путями. Стивен Хокинг в 1974 году теоретически показал, что любая черная дыра непрерывно испускает квантовое излучение с чернотельным спектром. Из-за этого она постепенно теряет массу и, как это ни парадоксально, не охлаждается, а нагревается. В конце концов дыра взрывается и излучает в гамма-диапазоне энергию порядка 1030 эрг. Дыры звездной массы и тем более сверхмассивные дыры в ядрах галактик худеют чрезвычайно медленно, более легкие — намного быстрее. Расчеты показывают, что мини-дыра, появившаяся на свет с массой порядка 1010−1011 г, должна взорваться в нашу эпоху, и мы сможем зарегистрировать ее гамма-излучение, если она находится совсем рядом, не далее двух-трех световых лет.

Однако профессор Клайн полагает, что существует и более экстравагантный способ генерации гамма-квантов, доступный дыре с исходной массой в 1014—1015 гг. Когда такая дыра прогревается до триллионов градусов, обычная материя в ее окрестностях превращается в кварк-глюонную плазму. Это фазовый переход первого рода, аналогичный превращению воды в лед. Он приводит к выделению огромной энергии, которая и генерирует очень короткий гамма-всплеск. Такие всплески можно засечь, если их источник находится от нас на дистанции в два-три десятка световых лет. И профессор Клайн не теряет надежды, что детекторы космического телескопа Fermi когда-нибудь смогут подтвердить его гипотезу: «Если космические обсерватории новых поколений смогут улавливать микросекундные, а то и наносекундные гамма-импульсы, появится возможность наблюдать такие детали физики космоса, о которых сейчас нельзя даже и мечтать». В этих надеждах и заключается очарование древнейшей, но неизменно юной науки о Вселенной.