Главная | Обратная связь

Открытие послесвечений: эпоха BeppoSAX

Накопление статистики: эпоха BATSE

С 5 апреля 1991 по 4 июня 2000 года на орбите функционировала Комптоновская гамма-обсерватория, англ. Compton Gamma Ray Observatory (CGRO)^[16]. На её борту был установлен детектор Burst and Transient Source Explorer (BATSE), предназначенный для регистрации ГВ-ов. За время его работы было обнаружено 2704 события (то есть примерно по одному всплеску в сутки).

С помощью BATSE были подтверждены результаты ФТИ о том, что ГВ-ки распределены по небесной сфере изотропно, а не группируются в какой-либо области пространства, например, в центре галактики или вдоль плоскости галактического экватора^[17]. Из-за плоской формыМлечного пути, источники принадлежащие нашей галактике, концентрируются у галактической плоскости. Отсутствие такого свойства у ГВ является сильным доказательством их происхождения извне Млечного пути^[18][19][20], хотя некоторые модели Млечного пути всё ещё согласуются с изотропным распределением^[21].

Также были установлены следующие эмпирические свойства ГВ-ов: большое разнообразие кривых блеска (плавные и изрезанные на очень малых временных масштабах), бимодальное распределение по длительности (короткие — менее 2 секунд — с более жёстким спектром, и длинные — более 2 секунд — с более мягким спектром).

Десятилетия после открытия ГВ-в, астрономы искали составляющую: любой астрономический объект, расположенный на месте недавнего ГВ. Было рассмотрено множество разных классов объектов, включая белые карлики, пульсары, сверхновые, шаровые звёздные скопления, квазары, Сейфертовские галактики и объекты BL Lac^[22]. Все эти поиски не увенчались успехом, и даже в нескольких случаях достаточно хорошего определения месторасположения ГВ, невозможно было увидеть какого-либо заметного яркого объекта. Что говорит о происхождении ГВ или от очень тусклых звёзд или от чрезвычайно далёких галактик^[23][24]. Даже самые точные местоположения ограничивались областями групп слабых звёзд и галактик. Стало ясно, что для конечного разрешения координат ГВ требуются и новые спутники, и более быстрые коммуникации^[25].

Открытие послесвечений: эпоха BeppoSAX

Несколько моделей происхождения ГВ предполагали что после первоначальной вспышки гамма лучей должно происходить медленно затухающее излучение на более длинных волнах, образованное вследствие столкновения вещества выбрасываемого в результате вспышки и межзвёздного газа^[26]. Это излучение (во всех диапазонах электромагнитного спектра) стали называть «afterglow» («послесвечение» или «ореол») от ГВ. Ранние поиски «послесвечения» оказались безуспешными, в основном из-за трудностей определения точных координат ГВ на длинных волнах сразу после начальной вспышки.

Прорыв в этом направлении произошёл в феврале 1997 года, когда итало-голландский спутник BeppoSAX обнаружил гамма-всплеск GRB 970228, а через 8 часов детектор рентгеновских лучей (также на борту BeppoSAX) обнаружил затухающее рентгеновское излучение от GRB 970228. Координаты рентгеновского «послесвечения» были определены с гораздо большей точностью, чем для гамма лучей.

Затем наземные оптические телескопы также обнаружили в этом районе слабеющий новый источник, таким образом, его положение стало известно с точностью до секунды. Через некоторое время глубокий снимок Хаббловского телескопа выявил на месте бывшего источника далёкую очень слабую галактику (z=0,7). Таким образом, космологическое происхождение гамма-всплесков было доказано. В дальнейшем послесвечения наблюдались у многих всплесков, во всех диапазонах (рентген, ультрафиолет, оптика, ИК, радио). Красные смещения оказались очень большими (до 6, в основном в диапазоне 0-4 для длинных гамма-всплесков; для коротких — меньше).

Эра быстрого отождествления: Swift[править | править исходный текст]

Запущенный в 2004 году спутник Swift имеет возможность быстрого (менее минуты) оптического и рентгеновского отождествления всплесков. Среди его открытий — мощные, иногда многократные рентгеновские всплески в послесвечениях, через времена до нескольких часов после всплеска; обнаружение послесвечений ещё до окончания собственно гамма-излучения и т. д.

Расстояния и энергетика[править | править исходный текст]

Из космологической природы гамма-всплесков ясно, что они должны иметь колоссальную энергию. К примеру, для события GRB 970228 в предположении изотропии излучения энергия только в гамма-диапазоне составляет 1,6·10⁵² эрг, что на порядок больше энергии типичной сверхновой. Для некоторых гамма-всплесков оценка доходит до 10⁵⁴ эрг, то есть сравнима с энергией покоя Солнца. Причём эта энергия выделяется за очень короткое время.

Достаточно очевидно, что выход энергии происходит в виде коллимированного потока (джета), в этом случае оценка энергии уменьшается пропорционально углу раскрытия конуса джета. Это подтверждается также наблюдениями кривых блеска послесвечений (см. ниже). Типичная энергия всплеска с учётом джетов составляет около 10⁵¹ эрг, но разброс всё равно достаточно большой. Наличие джетов означает, что мы видим малую долю всех происходящих во Вселенной всплесков. Оценка их частоты составляет порядка одного всплеска на галактику раз в 10⁵ лет.

События, порождающие гамма-всплески, настолько мощные, что иногда их можно наблюдать невооружённым глазом, хотя они происходят на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли^[27].

Механизмы гамма-всплесков[править | править исходный текст]

Механизм, в результате которого за столь короткое время в малом объёме выделяется столько энергии, до сих пор не вполне ясен. Наиболее вероятно, что он различен в случае коротких и длинных гамма-всплесков. На сегодняшний день различают два основных подвида ГВ: длинные и короткие, имеющие существенные различия в спектрах и наблюдательных проявлениях. Так, длинные гамма-всплески иногда сопровождаются взрывом сверхновой звезды, а короткие — никогда. Есть и две основные модели, объясняющие эти два типа катаклизмов.

Длинные гамма-всплески и сверхновые[править | править исходный текст]

Длинные гамма-всплески, вероятно, связаны со сверхновыми Ib/c типа. В нескольких случаях оптически отождествлённый источник через некоторое время после всплеска показывал характерные для сверхновых спектры и кривые блеска. Кроме того, в большинстве случаев отождествления с галактиками они имели признаки активного звездообразования.

Далеко не все сверхновые типа Ib/c могут стать причиной гамма-всплеска. Это события, связанные с коллапсом в чёрную дыру ядра массивной (>25 масс Солнца) звезды, лишённой водородной оболочки, имеющей большой момент вращения — так называемая модель коллапсара. По расчётам, часть ядра превращается в чёрную дыру, окружённую мощнымаккреционным диском, который в течение нескольких секунд проваливается в дыру. Одновременно вдоль оси диска запускаются релятивистские джеты, пробивающие оболочку звезды и становящиеся причиной всплеска. Таких случаев должно быть около 1 % от общего числа сверхновых (иногда их называют гиперновыми).

Основная модель длинных гамма-всплесков предложена американским учёным С. Вусли — модель коллапсара под неудачным названием «несостоявшаяся сверхновая» (англ. failed supernova; Woosley 1993). В этой модели гамма-всплеск порождается джетом (струёй) при коллапсе массивной звезды Вольфа-Райе (по существу, гелиевого или углеродно-кислородного ядра нормальной звезды). Эта модель в принципе может описывать длинные (но не слишком длинные) ГВ. Некоторое развитие этой модели было сделано польским учёным Б. Пачиньским, который использовал гораздо более удачный термин «взрыв гиперновой» (англ. hypernova explosion; Paczynski, 1998).

Термин «гиперновая» использовался гораздо раньше другими астрофизиками в ином контексте.

Короткие гамма-всплески и слияния релятивистских объектов[править | править исходный текст]

Механизм коротких гамма-всплесков, возможно, связан со слиянием нейтронных звёзд или нейтронной звезды и чёрной дыры. Из-за большого момента импульса такая система не может сразу целиком превратиться в чёрную дыру: образуется начальная чёрная дыра и аккреционный диск вокруг неё. По расчётам, характерное время таких событий должно составлять как раз доли секунд, что подтверждается моделированием на суперкомпьютерах^[28]. Следует отметить, что отождествлённые короткие гамма-всплески лежат на систематически меньших расстояниях, чем длинные, и имеют меньшее энерговыделение.

Модель, подходящая для описания коротких гамма-всплесков, предложена советскими астрофизиками С. И. Блинниковым и др.^[29], — слияние двойных нейтронных звёзд.

Послесвечения: релятивистские джеты[править | править исходный текст]

В отличие от собственно гамма-всплеска, механизмы послесвечения достаточно хорошо разработаны теоретически. Предполагается, что некоторое событие в центральном объекте инициирует образование ультрарелятивистской разлетающейся оболочки (лоренц-фактор Γ порядка 100). По одной модели, оболочка состоит из барионов (масса её должна составлять 10⁻⁸ — 10⁻⁶ масс Солнца), по другой — это замагниченное течение, в котором основная энергия переносится вектором Пойнтинга.

Весьма существенно, что во многих случаях наблюдается сильная переменность как в самом гамма-излучении (на временах порядка разрешения прибора — миллисекунд), так и в рентгеновских и оптических послесвечениях (вторичные и последующие вспышки, энерговыделение в которых может быть сравнимо с самим всплеском). До некоторой степени это можно объяснить столкновением нескольких ударных волн в оболочке, двигающихся с разными скоростями, но в целом это явление представляет серьёзную проблему для любого объяснения механизма работы центральной машины: нужно, чтобы после первого всплеска она могла ещё давать несколько эпизодов энерговыделения, иногда через времена порядка нескольких часов.

Послесвечение обеспечивается в основном синхротронным механизмом и, возможно, обратным комптоновским рассеянием.

Кривые блеска послесвечений довольно сложны, так как они складываются из излучения головной ударной волны, обратной ударной волны, возможного излучения сверхновой и т. д. Иногда на последних стадиях излучения наблюдается излом кривой блеска (от степени −1 до −2), что считается свидетельством в пользу наличия релятивистского джета: излом происходит тогда, когда Γ-фактор падает до значения ~1/θ, где θ — угол раскрытия джета.

Возможная опасность для Земли[править | править исходный текст]

Борис Штерн пишет: «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^{[note 1]}! 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». Штерн полагает, что гамма-всплеск в Нашей галактике случается в среднем раз в миллион лет. Гамма-всплеск такой звезды, как WR 104, может вызвать интенсивное разрушение озонового слоя на половине планеты. Возможно, гамма-всплеск стал причиной Ордовикового вымирания 443 млн лет назад, когда погибло 60 % видов живых существ (и значительно большая доля по числу особей, так как для выживания вида достаточно сохранения всего нескольких особей).^[30]

 

Гиперновая звезда

Гиперновая — взрыв массивной звезды (с массой более 20 масс Солнца) после коллапса её ядра. Коллапс ядра происходит после того, как в нём истощается топливо для поддержания термоядерных реакций; другими словами, это очень большая сверхновая. С начала 1990-х годов были замечены столь мощные взрывы звёзд, что сила взрыва превышала мощность взрыва обычной сверхновой примерно в 10 раз, а энергия взрыва превышала 10⁴⁵ джоулей^[2]. К тому же многие из этих взрывов сопровождались длинными гамма-всплесками. Сегодня термин Гиперновая используется также для описания взрывов звёзд с массой от 100 до 150 и более масс Солнца.

Гиперновые теоретически могли бы создать серьёзную угрозу Земле вследствие сильной радиоактивной вспышки, но в настоящее время вблизи Земли нет звёзд, которые могли бы представлять такую опасность^[3]. По некоторым данным, 440 миллионов лет назад имел место взрыв гиперновой звезды вблизи Земли^[4], в результате которого произошло Ордовикско-силурийское вымирание (исчезло более 60 % морских беспозвоночных). Вероятно, короткоживущий изотоп никеля ⁵⁶Ni попал на Землю в результате этого взрыва^[5].

Термин коллапсар (от англ. collapsed star — сколлапсировавшая звезда) первоначально означал продукт гравитационного коллапса —чёрную дыру. В настоящее время это слово иногда относят к определённой модели коллапса быстровращающейся звезды.

Коллапс звезды[править | править исходный текст]

Термин «гиперновая» придумал Стэнфорд Вусли (англ.). Ядро массивной звезды при гравитационном коллапсе превращается в чёрную дыру; если звезда быстро вращалась, то вокруг чёрной дыры может образоваться массивный аккреционный диск. За счет нейтринного нагрева или под воздействием механизма Бландфорда-Знаека могут быть сформированы две мощные релятивистские струи, выбрасываемые в направлении полюсов вращения умирающей звезды почти со скоростью света. Эти релятивистские струи могут объяснитьгамма-всплески, которые иногда наблюдаются при взрывах гиперновых. В последние годы большой объём данных наблюдений гамма-всплесков значительно улучшил наше понимание этих событий, и стало ясно, что в численных моделях коллапса получаются взрывы, которые отличаются от взрывов обычных сверхновых.

Звёзды, способные взорваться как гиперновая, встречаются очень редко, потому что звезда должна быть массивной, быстро вращаться и (возможно) иметь сильное магнитное поле. Поэтому гиперновые должны взрываться редко. Предполагается, что в нашей Галактике гиперновая взрывается в среднем один раз в 200 млн лет.

Слово «коллапсар» используется как название гипотетической модели, в которой быстро вращающаяся звезда Вольфа-Райе с массой ядра около 30 солнечных масс формирует вращающуюся чёрную дыру, которая аккрецирует вещество из падающей на неё звёздной оболочки. При этом могут быть сформированы релятивистские струи с релятивистскойскоростью (с фактором Лоренца более 100). Благодаря таким скоростям струйные выбросы коллапсаров могут оказаться самыми быстрыми из известных небесных тел. Таким образомколлапсар, начинаясь как «неудавшаяся» сверхновая, превращается во взрыв гиперновой.

Считается, что коллапсары являются основной причиной длинных (> 2 секунд) гамма-всплесков. Мощная струя, выбрасываемая вдоль оси вращения чёрной дыры, может создать направленный всплеск высокоэнергетического излучения. Наблюдатель может зарегистрировать такой всплеск, если он находится вблизи направления релятивистской струи.

В качестве примера коллапсара можно привести необычные сверхновые SN 1998bw (англ.) и SN 2003dh (англ.), связанные с гамма-всплесками GRB 980425 и GRB 030329 соответственно. Звезды были классифицированы как сверхновые типа Ic из-за особенностей их спектра. В радиодиапазоне наблюдались свидетельства наличия релятивистских скоростей при взрыве.

Ещё одним видом гиперновой является сверхновая, нестабильная по отношению к образованию электрон-позитронных пар (англ. pair-instability supernova). В такой сверхновойрождение пар вызывает резкое падение давления в звёздном ядре, что приводит к быстрому частичному коллапсу, который и становится причиной резкого повышения температуры идавления, приводящего к взрывному термоядерному возгоранию и полному взрыву звезды. Сверхновая SN 2006gy была, возможно, первым наблюдавшимся примером такого типа сверхновых. Эта сверхновая наблюдалась в галактике, находящейся на расстоянии около 240 миллионов световых лет (72 млн. парсеков) от Земли.