Astronet > Gipernovye i gamma-vspleski

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Supervspleski i gipernovye, ili chto zhe takoe kosmicheskie gamma-vspleski?

K.A.Postnov

Specialisty v razlichnyh oblastyah nauki privykli k tomu, chto izlagaemye v sredstvah massovoi informacii nauchnye fakty zachastuyu prepodnosyatsya kak neveroyatnye sensacii, budorazhashie voobrazhenie chitatelei ili slushatelei. Vozmozhno, v eshe bol'shei stepeni eto otnositsya k noveishim rezul'tatam v oblasti astronomii. V nachale maya 1998 goda, tochnee vecherom 6-go maya, v SShA i po elektronnym kanalam (Internet) byl rasprostranen press-reliz NASA, v kotorom soobshalos' ob izmerenii kollektivom amerikanskih i ital'yanskih astronomov na 10-m teleskope im. Keka (SShA) krasnogo smesheniya slaboi galaktiki, kotoraya vidna na meste gamma-vspleska GRB 971214, zaregistrirovannogo italo-gollandskim sputnikom BeppoSAX 12 dekabrya 1997 g. Oficial'naya naunaya informaciya poyavilas' v vide serii statei v nomere zhurnala "Nature" ot 7 maya 1998 g. (Kulkarni S.R. et al., Nature, 393, 35; Halpern et al., Nature, 393, 41; Ramaprakash A.N. et al., Nature, 393, 43). Krasnoe smeshenie v spektre etoi galaktiki okazalos' kraine bol'shim, z=3.418, t.e. svet ot nee byl ispushen v moment, kogda vozrast Vselennoi sostavlyal vsego 1/7 ot sovremennogo znacheniya (12 mlrd. let). Fotometricheskoe rasstoyanie do etoi galaktiki opredelyaetsya po krasnomu smesheniyu i ravno 10²⁸ sm. Zatem po izmerennoi na Zemle osveshennosti gamma-izlucheniya ot etogo vspleska (10^-5 erg sm^-2 v diapazone energii >20 keV) mozhno vosstanovit' polnoe energovydelenie: v odnom tol'ko gamma-diapazone ono okazalos' neveroyatno bol'shim, $4\pi d_l^2 F/(1+z)\sim 3\times 10^{53}$ erg. Eta energiya sostavlyaet 20% ot energii massy pokoya Solnca $M_\odot c^2$ i v 50 raz prevoshodit vsyu energiyu, kotoraya izluchitsya Solncem za vse vremya ego sushestvovaniya. I vse eto - za te 30 s, kotorye dlilsya gamma-vsplesk! Pikovaya svetimost' (energovydelenie) v techenie neskol'kih sotyh dolei sekundy sostavila 10⁵⁵ erg/s, chto sootvetstvuet elektromagnitnoi svetimosti poloviny vseh zvezd Vselennoi. Porazitel'noe yavlenie, ne pravda li? Chtoby eshe bol'she zaintrigovat' chitatelya avtory delayut ocenku maksimal'noi plotnosti energii vblizi mesta etogo energovydeleniya i pokazyvayut, chto ona sravnima s toi, kotoraya imela mesto v goryachei Vselennoi spustya 1 s posle nachala rasshireniya ("Bol'shogo Vzryva"), v epohu pervichnogo nukleosinteza. Chtoby hladnokrovno proanalizirovat' eto novoe otkrytie, sperva kratko napomnim burnuyu istoriyu issledovaniya gamma-vspleskov.

Eta problema shiroko izvestna v astrofizike i neodnokratno osveshalas' v otechestvennyh nauchnyh zhurnalah (sm. naprimer, B.I.Luchkov, I.G.Mitrofanov, I.L.Rozental', "Uspehi fizicheskih nauk" ... ; ili moyu zametku "Zemnoe eho kosmicheskih katastrof", Priroda, 1996, No 5). Otkrytye v konce 60-h gg. amerikanskimi voennymi sputnikami "Vela", eti udivitel'nye yavleniya prirody dolgoe vremya ostavalis' polneishei zagadkoi. Oni harakterizuyutsya ravnomernym raspredeleniem po nebesnoi sfere, dlyatsya ot neskol'kih sekund do soten sekund, i imeyut raznoobraznye vremennye i spektral'nye svoistva. Do nedavnego vremeni ih plohaya lokalizaciya (s tochnost'yu do 1 grad.) ne pozvolyala nablyudat' ih v drugih diapazonah elektromagnitnogo spektra. V nachale 90-h gg. na orbitu byl zapushen amerikanskii specializirovannyi sputnik dlya nablyudeniya v gamma-diapazone (gamma-observatoriya im. Komptona, CGRO), na kotorom special'no ustanovlen vsenapravlennyi monitor gamma-vspleskov BATSE. Etot pribor imeet maksimal'nuyu chuvstvitel'nost' v diapazone energii 30-500 keV i pozavolyaet registrirovat' ochen' slabye potoki gamma-izlucheniya ot istochnikov, sozdayushih na Zemle predel'nuyu osveshennost' okolo 10^-7 erg/sm^-2. Osnovnoi nauchnyi rezul'tat, poluchennyi BATSE - podtverzhdenie vysokoi stepeni izotropii raspredelniya istochnikov gamma-vspleskov po nebesnoi sfere i postroenie zavisimosti chisla istochnikov ot intensivnosti prinimaemogo potoka (t.n. zavisimost' ). Analiz etoi zavisimosti pokazyvaet, chto istochniki ne mogut byt' raspredeleny v prostranstve s postoyannoi plotnost'yu. Eto ne ostavlyaet shansov modelyam gamma-vspleskov, svyazannyh s istochnikamu vnutri diska Galaktiki (na rasstoyaniyah blizhe 100 pk).

Takim obrazom, na nachalo 1997 g. mneniya astrofizikov otnositel'no prirody gamma-vspleskov razdelilis' primerno porovnu mezhdu dvumya modelyami - model'yu istochnikov v protyazhennom galo vokrug Galaktiki (do 100 kpk), i model'yu istochnikov na kosmologicheskih rasstoyaniyah (>100 Mpk). Poslednyaya model' ochevidno trebovala sushestvenno bol'shego energovydeleniya vo vspleske - do 10⁵¹ erg/s, chto sravnimo s energovydeleniem vo vremya vspyshki sverhnovoi. No v otlichie ot sverhnovoi, pri vspyshke kotoroi osnovnaya energiya vydelyaetsya v vide neitrino, eta energiya izluchaetsya v vide elektromagnitnyh voln. Bolee togo, nablyudaemaya chastota vspyshek sverhnovyh v galaktikah (okolo 1 za 30-100 let) v 1000 raz bol'she, chem trebuetsya v ramkah kosmologicheskoi gipotezy (1 raz v million let na tipichnuyu galaktiku). Naibolee populyarnoi model'yu istochnikov kosmologicheskih gamma-vspleskov stali sliyaniya tesnyh dvoinyh neitronnyh zvezd, par neitronnaya zvezda - chernaya dyra ili zhe dvuh chernyh dyr. Chastota takih sobytii (okolo odnogo raza v 10000-100000 let dlya tipichnoi galaktiki) s zapasom dostatochna dlya kosmologicheskoi modeli. Vpervye takaya vozmozhnost' obsuzhdalas' v 1984 g. v rabotah otechestvennyh astrofizikov S.I.Blinnikova iz ITEF i gruppy I.D.Novikova (T.V.Perevodchikova, A.G.Polnarev) iz IKI AN SSSR. Dlya vybora mezhdu dvumya modelyami trebovalas' nezavisimaya ocenka rasstoyanii do gamma-vspleskov.

Situaciya stala rezko menyat'sya s konca fevralya 1997 g., kogda s borta specializirovannogo italo-gollandskogo sputnika BeppoSAX byli polucheny ves'ma tochnye koordinaty vspleska, proizoshedshego 28 fevralya 1997 g. Istoriya etogo sputnika ves'ma lyubopytna. Ego harakternoi osobennost'yu yavlyaetsya sposobnost' ne tol'ko registrirovat' gamma-vspleski (hotya i s na poryadok hudshei, chem BATSE, chuvstvitel'nost'yu po potoku), no i bystro, vsego cherez neskol'ko chasov, navodit' na oblast' gamma-vspleska rentgenovskii teleskop. I esli spektr gamma-vspleska (ili zhe svyazannogo s etim yavleniem poslesvecheniya v bolee myagkih diapazonah) prodolzhaetsya v oblast' bolee nizkih energii (rentgen, optika, radio), mozhno ozhidat' "uvidet'" rentgenovskoe poslesvechenie, a tochnost' opredeleniya polozheniya rentgenovskih istochnikov sushestvenno vyshe, chem gamma-istochnikov -- poryadka neskol'kih minut dugi. Eta nehitraya logika 100-procentno opravdala sebya, i zamechennoe cherez neskol'ko chasov posle vspleska 28 fevralya 1997 g. zatuhayushee rentgenovskoe izluchenie bylo obnaruzheno. Byla vydana oshibka polozheniya (kak govoryat, boks oshibok) v neskol'ko minut dugi, i bukval'no na sleduyushii zhe den' vnutri etogo boksa oshibok mnogie krupnye opticheskie nazemnye teleskopy obnaruzhili ochen' slabuyu zvezdochku, blesk kotoroi monotonno umen'shalsya so vremenem. Neobychnost' etogo opticheskogo tranzientnogo istochnika zaklyuchalas' v ego golubom cvete i zakone spadaniya potoka opticheskogo izlucheniya so vremenem kak t^-1.1, kotoryi do sih por ne nablyudalsya ni ot odnogo izvestnoo astronomicheskogo istochnika.

Bolee togo, tshatel'nye nablyudeniya, provedennye s borta kosmicheskogo teleskopa im. Habbla v konce marta-nachale aprelya, obnaruzhili slaboe asimmetrichnoe tumannoe pyatnyshko vokrug zatuhayushego opticheskogo istochnika. Provedennye spustya polgoda nablyudeniya podtverdili neizmennost' bleska etogo tumannogo ob'ekta (sam opticheskii tranzient k tomu vremeni perestal byt' vidimym), potverdiv tem samym, chto eto dalekaya galaktika. Esli vsplesk GRB970228 proizoshel imenno v nei (a ne yavilsya sluchainoi proekciei bolee blizkogo ob'ekta na dalekuyu galaktiku), to samye tverdye storonniki kosmologicheskoi gipotezy mogli torzhestvovat'. Po kosvennym ocenkam, krasnoe smeshenie do etoi galaktiki (vpryamuyu ne izmerennoe iz-za ee slabosti) dolzhno bylo byt' okolo 0.7. Sputnik BeppoSAX registriruet primerno 1 gamma-vsplesk v mesyac, i novye sensacii ne zastavili dolgo zhdat'. V spektre opticheskogo poslesvecheniya ot vspleska 8 maya 1997 g.byli obnaruzheny sistemy linii poglosheniya i izlucheniya, dlina volny kotoryh byla smeshena v krasnuyu storonu, ukazyvaya na krasnoe smeshenie z=0.835. A eto uzhe ne blizhnii kosmos (rasstoyaniya poryadka 1 Gpk). Prichem v otlichie ot GRB970228, galaktiki vokrug maiskogo vspleska ne bylo obnaruzheno. Zato prodolzhitel'nost' poslesvecheniya okazalas' rekordno dolgoi - okolo 200 dnei poslesvechenie zatuhalo po stepennomu zakonu, a zatem spad prekratilsya, chto bylo prointerpretirovano kak vyhod na blesk "hozyaiskoi galaktiki", v kotoroi proizoshel etot gamma-vsplesk, no samu kotoruyu ne bylo vidno na fone bolee moshnogo izlucheniya ot opticheskogo poslesvecheniya. Eta vozmozhnaya galaktika zavedomo dolzhna imet' krasnoe smeshenie z>0.835. Tut uzhe i bolee ustoichivye protivniki kosmologicheskoi gipotezy pokolebalis'.

Nakonec, nablyudenie na teleskope im. Keka "hozyaiskoi galaktiki" vspleska 981214 i opredelenie ee ogromnogo krasnogo smesheniya pochti ne ostavili someneniya v spravedlivosti kosmologicheskoi prirody gamma-vspleskov. Pochemu pochti? Kak priznayut sami avtory, veroyatnost' sluchainogo nalozheniya gamma-vspleskov na dalekie galaktiki dovol'no vysoka, poryadka 1%. K tomu zhe est' nekotoraya veroyatnost' oshibochnogo opredeleniya krasnogo smesheniya. Dazhe esli poslednee verno, ono dolzhno byt' poryadka 0.4. Est' i kosvennye nablyudatel'nye dannye, kotorye delayut otozhdestvleniya opticheskih poslesvechenii s dalekimi galaktikami dostatochno uverennymi. Rech' idet o chrezvychaino krasnom spektre nekotoryh opticheskih poslesvechenii, svidetel'stvuyushem o bol'shom pogloshenii opticheskogo izlucheniya pyl'yu i gazom (po krainei mere R=1 zv. velichin dlya 971214 i R=5 zv. velichin dlya 980329). Po-vidimomu, eto pogloshenie sveta proishodit vblizi mesta obrazovaniya etogo poslesvecheniya, a znachitel'naya koncentraciya pyli i gaza nablyudaetsya tol'ko v diskah galaktik i osobenno v mestah aktivnogo zvezdoobrazovaniya.

Teper' kratko summiruem nablyudatel'nye fakty, poluchennye v rezul'tate tshatel'nogo izucheniya boksa oshibok rentgenovskih dvoinikov gamma-vspleskov nazemnymi opticheskimi i radioteleskopami.

Vse gamma-vspleski soprovozhdayutsya rentgenovskim poslesvecheniem.
Pochti v polovine sluchaev nablyudaetsya opticheskoe i radio poslesvechenie s potokom, spadayushim kak po stepennomu zakonu ot vremeni.
V 5 sluchayah (970228, 970508, 971214, 980326, 980329) s bol'shoi stepen'yu uverennost'yu mozhno govorit' o "hozyaiskih galaktikah", v kotoryh proizoshli eti gamma-vspleski.
Po krainei mere v dvuh sluchayah (970508 i 971214) rasstoyanie do istochnika bolee 1 Gpk.

Itak, tverdo vstav na poziciyu kosmologichekoi prirody gamma-vspleskov, trebuetsya ob'yasnenie stol' vysokomu energovydeleniyu v vide elektromagnitnogo izlucheniya, forme i vremennomu povedeniyu spektrov samih gamma-vspleskov i ih rentgenovskih, opticheskih i radio dvoinikov, chastoty proishozhdeniya i t.d. Kak upominalos' vyshe, sliyaniya dvuh kompaktnyh zvezd (neitronnyh zvezd ili chernyh dyr) bezrazdel'no pretendovali na rol' istochnika energii gamma-vspleskov. Detali etoi modeli kraine ploho izucheny vvidu slozhnosti fizicheskih processov pri takom sobytii. Povtoryaem, osnovnoi argument svodilsya k dostatochnosti potencial'no vydelyaemoi energii (10⁵³ erg), dostatochnoi chastosty sobytii (v srednem okolo 10^-4 - 10^-5 v god na galaktiku) i real'nomu nablyudeniyu po krainei mere 4 dvoinyh neitronnyh zvezd v vide dvoinyh radiopul'sarov, nevidimaya zvezda v kotoryh imeet massu okolo 1.4 massy Solnca (tipichnaya massa neitronnoi zvezdy) i kraine kompaktna. Popytki rasschitat' process sliyaniya (dazhe s ispol'zovaniem naimoshneishih komp'yuterov) poka ne priveli k zametnym uspeham v modelirovanii realisticheskogo gamma-vspleska. V seredine 1997 g. amerikanskii astrofizik pol'skogo proishozhdeniya B.Pachin'skii vydvinul al'ternativnuyu gipotezu vozmozhnogo istochnika energii. Vazhneishee trebovanie k modelyam kosmologicheskih gamma-vspleskov sostoit v poluchenii v rezul'tate nekotorogo fizicheskogo processa obolochki s massoi okolo 10^-5-10^-6 M_o, rasshiryayusheisya s relyativistskimi skorostyami (nachal'nyi Lorenc-faktor poryadka 100). Stolknovenie takoi obolochki s okruzhayushim mezhzvezdnym (mezhgalakticheskim) veshestvom privodit k yavleniyu gamma-vspleska. Eto t.n. model' rasshiryayusheisya relyativistskoi plazmy (nazyvaetsya takzhe. model' "ognennogo shara" ili faierbola), rassmatrivaemaya s konca 70-h gg. dlya razlichnyh astrofizicheskih istochnikov, v t.ch. i dlya gamma-vspleskov. Osnovopolagayushie raboty byli sdelany angliiskim astrofizikom Martinom Risom (M.Rees), amerikanskim astrofizikom Piterom Mesaroshem (P.Meszaros) i dr. Srazu posle otkrytiya pervogo opticheskogo poslesvecheniya ot gamma-vspleska 970228 poyavilsya potok rabot, v kotoryh eto yavlenie (stepennye zavisimosti, vid spektra, predskazanie radioizlucheniya) polnost'yu ob'yasnyalos' model'yu relyativistskogo faierbola, i v nastoyashee vremya malo u kogo ostalis' somneniya v pravil'nosti etoi modeli. Odnako chto zhe mozhet vyzyvat' relyativistskoe rasshirenie obolochki? Model' Pachin'skogo predlagaet v kachestve istochnika energii kollaps ochen' massivnoi zvezdy s obrazovaniem bystrovrashayusheisya chernoi dyry. Maksimal'nyi zapas energii vrasheniya chernoi dyry s massoi M $\Delta E\simeq 10^{54} (M/10 M_\odot)$ (erg) bolee chem dostatochen. Kak izvestno, energiyu vrasheniya chernoi dyry mozhno izvlekat', esli chernaya dyra okruzhena plazmoi s magnitnym polem (mehanizm Blendforda-Znaeka). Napomnim, chto chernaya dyra obladaet konechnym soprotivleniem okolo 30 Om, poetomu esli ona vrashaetsya v magnitnom pole, to vblizi gorizonta chernoi dyry $R\sim GM/c^2$ mozhet proishodit' energovydelenie poryadka $(dE/dt)_{max}\simeq B^2 R^2 c \approx 3\times 10^{51} \mbox{(erg/s)} (B/10^{15} \mbox{Gs})^2 (M/10 M_\odot)^2$ gde $B$ - napryazhennost' magnitnogo polya. Kak predlagaet Pachin'skii, stol' vysokie napryazhennosti magnitnogo polya vozmozhny pri kollapse konvektivnogo yadra massivnoi zvezdy. Dlya togo, chtoby chernaya dyra obladala maksimal'no bystrym vrasheniem, zvezda pered kollapsom dolzhna nahodit'sya v tesnoi dvoinoi sisteme, chtoby vrashenie yadra bylo sinhronizovano s orbital'nym obrasheniem komponent deistviem prilivnyh sil. Kak tol'ko obrazuetsya chernaya dyra, ona nachinaet "perekachivat'" energiyu vrasheniya v obolochku (sam process perekachki predlagaetsya svyazat' s sil'nym magnitnym polem), i za korotkoe vremya poryadka 1-100 s kineticheskaya energiya obolochki mozhet stat' ochen' bol'shoi, okolo 10⁵⁴ erg. Eto na neskol'ko poryadkov bol'she tipichnyh energii, peredavaemyh obolochke pri vspyshke sverhnovoi, poetomu Pachin'skii predlozhil termin "gipernovaya" dlya takogo yavleniya. Pri takoi energii samye vneshnie sloi obolochki mogut uskorit'sya do trebuemyh relyativistskih skorostei i proizvesti gamma-vsplesk. Sleduet otmetit', chto ideya perekachki energii vrasheniya v obolochku s pomosh'yu magnitnogo polya vydvigalas' eshe v 1970 g. rossiiskim astrofizikom G.S.Bisnovatym-Koganom (t.n. magnito-vrashatel'nyi mehanizm sbrosa obolochki sverhnovoi). Poskol'ku vremya zhizni massivnoi zvezdy okolo 1 mln. let, takie "gipernovye" dolzhny proishodit' v mestah aktivnogo zvezdoobrazovaniya. Ne isklyucheno, chto bol'shoe pogloshenie v opticheskom poslesvechenii nekotoryh gamma-vspleskov podtverzhdaet ih svyaz' s oblastyami povyshennoi plotnosti pyli i gaza, v kotoryh idet aktivnoe zvezdoobrazovanie. Est' li al'ternativnoe ob'yasnenie stol' vysokomu energovydeleniyu? Teoreticheski ostaetsya vozmozhnost' ogromnogo energovydeleniya pri sliyanii dvuh chernyh dyr ili par neitronnaya zvezda - chernaya dyra. Nekotorye issledovateli polagayut, chto sliyanie dvuh neitronnyh zvezd menee veroyatno, tak kak vo-pervyh harakternoe vremya mezhdu obrazovaniem i sliyaniem takoi sistemy iz-za unosa orbital'nogo momenta impul'sa gravitacionnym izlucheniem poryadka 1 mlrd. let, a za eto vremya sistema mozhet uiti na znachitel'nye rasstoyaniya ot mesta obrazovaniya iz-za vysokoi prostranstvennoi skorosti 100-300 km/s, priobretaemoi pri dvuh vspyshkah sverhnovyh v hode evolyucii. Vo-vtoryh, soglasno raschetam annigilyacii neitrino-antineitrino v elektron-pozitronnye pary pri sliyanii neitronnyh zvezd, ozhidaemaya energiya faierbola ne prevyshaet 10⁵⁰ erg, chto nedostatochno dlya ob'yasneniya nablyudaemoi energetiki. K sozhaleniyu, provesti realisticheskii raschet sliyaniya neitronnoi zvezdy i chernoi dyry ili dvuh neitronnyh zvezd poka ne udalos'. Razumeetsya, rasschety takih kosmicheskih katastrof, kak sliyaniya dvuh neitronnyh zvezd nahodyatsya v zachatochnom sostoyanii, i bylo by prezhdevremenno utverzhdat', chto postavlena tochka v tridcatiletnei istorii issledovaniya kosmicheskih gamma-vspleskov. Novye dannye postupayut ochen' bystro, i mozhno smelo govorit' o kachestvenno novom etape issledovaniya problemy kosmicheskih gamma-vspleskov. Somnenii v tom, chto oni svyazany s samymi grandioznymi prirodnymi katastrofami, pochti ne ostalos'. Esli v dele zameshany dvoinye neitronnye zvezdy ili chernye dyry, to okonchatel'naya proverka modeli budet poluchena s vvedeniem v stroi v nachale 2000 g. mnogokilometrovyh lazernyh interferometrov dlya detektirovaniya gravitacionnyh voln tipa LIGO/VIRGO, stroitel'stvo kotoryh vstupaet v zavershayushuyu fazu - gamma-vsplesku budet predshestvovat' moshnyi gravitacionno-volnovoi signal harakternoi formy. Esli takih signalov ot yarchaishih gamma-vspleskov ne budet obnaruzheno, to pridetsya ot etoi modeli otkazat'sya. Hotya dlya skepticheski nastroennyh issledovatelei mozhno napomnit' znamenituyu diskussiyu mezhdu Eddingtonom, predlagavshim yadernye reakcii v centre zvezd kak istochnik zvezdnoi energii, i Einshteinom, schitavshim, chto temperatura v centre zvezdy ne dostatochna dlya preodoleniya kulonovskogo bar'era pri sblizhenii dvuh protonov. Kak izvesto, Eddington otvetil: "Poishite-ka mesto pogoryachee!". Novye rezul'taty v etoi samoi "goryachei" oblasti sovremennoi astrofiziki postupayut stol' bystro, chto pisat' zakonchennyi rasskaz o gamma-vspleskah - pustaya zateya. Ostanovimsya na skazannom i budem s neterpeniem zhdat' novostei ob opticheskih, radio i rentgenovskih poslesvecheniyah gamma-vspleskov i ih hozyaiskih galaktikah. Mozhno bezoshibochno utverzhdat', chto k momentu opublikovaniya etoi zametki my uznaem gorazdo bol'she o gamma-vspleskah i mestah, v kotoryh oni proishodyat. Samye poslednie novosti s illyustraciyami i ssylkami na vyhodyashie publikacii mozhno naiti v Internete po adresu http://www.aip.de:8080/~jcg.

K.A.Postnov

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce