Найяскравіші вибухи у Всесвіті

Щоразу, коли відбувається сплеск гамма-випромінювання, народжується чорна діра. Ще 10 років тому ніхто не знав, чим спричинені гамма-сплески — спалахи високоенергетичного випромінювання, що спостерігаються на небі. Зараз астрономи вважають їх лебединою піснею зір, що вмирають. Чорна діра, яка виникає під час колапсу гігантської зорі, частково засмоктує її рештки, але деяка речовина викидається назовні. При цьому в ударних хвилях народжується випромінювання.

Вранці 23 січня 1999 р. автоматичний телескоп у Нью-Мексико зафіксував у сузір’ї Північної Корони найграндіозніший вибух, будь-коли помічений людством. Спалах був ледве помітний з відстані 9 млрд світлових років (що становить більш як половину розміру спостережуваного Всесвіту). Якби це сталося на відстані кількох тисяч світлових років, то спалах був би яскравим, як полуденне Сонце, а Земля отримала б таку дозу опромінення, що на ній загинуло б усе живе. Вибух виявився одним із гамма-сплесків, які стали однією з найзахопливіших загадок астрономії: перший такий сплеск було виявлено 2 липня 1967 р.

Видатні відкриття останніх років наблизили астрономів до розгадки таємниці. До 1997 р. основні дані про гамма-сплески було отримано приладами BATSE (Burst and Transient Source Experiment – експеримент із дослідження спалахів і транзієнтних джерел) на борту гамма-обсерваторії Комптона. Виявилося, що щодоби спостерігають два–три гамма-сплески, кожен із яких яскравіший за інші небесні гамма-джерела. Кожен спалах унікальний, але їх можна поділити на дві категорії: короткі – тривалістю менш як дві секунди, і довгі – триваліші. Спектроскопічно гамма-випромінювання перших жорсткіше, ніж у других. Згаданий вище гамма-сплеск 1999 року тривав півтори хвилини.

Експерименти BATSE показали, що спалахи розподілені ізотропно, тобто рівномірно розсіяні по небу. Цей факт спростував поширену думку, що джерела гамма-сплесків розташовані в нашій Галактиці. Вони розсіяні по всьому Всесвіту, інакше форма Галактики та положення Землі (осторонь від її центру) спричинили б концентрацію спалахів у певних ділянках неба. На жаль, дослідження гамма-випромінювання не дають змоги остаточно прояснити це питання. Спроби зареєструвати гамма-сплески в інших діапазонах випромінювання (наприклад, в оптичному можна виявити галактики, у яких відбуваються спалахи, а отже, виміряти відстань до них) не увінчалися успіхом.

Стрімкий прорив

Запущений у 1996 р. рентгенівський супутник BeppoSAX був створений космічними агентствами Італії та Нідерландів. Він дав змогу значно розширити дослідження і точно визначити положення гамма-сплесків, виявити їхнє рентгенівське післясвітіння (Післясвітіння – afterglow – іноді перекладають як «ореол».), яке з’являється після зникнення гамма-сигналу і триває від кількох днів до кількох місяців. З часом воно слабшає і зміщується з рентгенівського діапазону в менш жорсткий – оптичний, а потім і в радіодіапазон. Рентгенівський супутник зафіксував післясвітіння лише у довгих спалахів, у коротких його поки що не виявлено. Використовуючи дані супутника про положення спалахів, оптичні та радіотелескопи виявили ті ділянки Всесвіту, у яких сталися вибухи. Майже всі галактики віддалені на мільярди світлових років, отже, спалахи були неймовірно потужними. Очевидно, що екстремальні викиди енергії породжуються надзвичайними причинами, тому дослідники почали пов’язувати гамма-сплески з найнезвичайнішими серед відомих об’єктів – чорними дірами.

Серед перших гамма-сплесків, ідентифікованих BeppoSAX, був GRB970508, відкритий 8 травня 1997 р. Перші три тижні яскравість джерела хаотично змінювалася, потім стабілізувалася і почала монотонно зменшуватися. Різкі коливання, імовірно, були пов’язані не з самим джерелом спалаху, а з поширенням випромінювання. Подібно до того як земна атмосфера спричиняє видиме мерехтіння зір, міжзоряна плазма змушує блимати радіоджерела. Планети не мерехтять, бо розташовані близько і мають вигляд дисків. Якщо GRB970508 спочатку блимав у радіодіапазоні, а потім перестав, отже, він «виріс» із точкового джерела до розрізнюваного диска. Щоб набути «розміру в кілька світлових тижнів», джерело має розширюватися дуже швидко – майже зі швидкістю світла.

Дані BeppoSAX і подальші спостереження змінили погляд астрономів на гамма-сплески. Було відкинуто концепцію раптового виділення енергії протягом кількох секунд. Навіть термін «післясвітіння» зараз визнають недоречним: енергія випромінюється на обох етапах у порівнянних кількостях. Спектр післясвітіння характерний для електронів, що рухаються в магнітному полі майже зі швидкістю світла.

Січневий сплеск 1999 року (GRB990123) був неймовірно потужним. Якщо під час спалаху енергія випромінювалася в усіх напрямках однаково, то світність джерела сягала кількох одиниць на $10^{45}$Вт, тобто воно було в $10^{19}$ разів потужнішим за Сонце! Хоча в іншому добре відомому типі космічної катастрофи – спалаху наднової – загалом виділяється приблизно така сама енергія, вона переважно виноситься нейтрино, а решта випромінюється повільніше, ніж під час гамма-сплеску. Тому світність наднової на будь-якому етапі значно нижча, ніж у гамма-сплеску. Навіть яскраві квазари виділяють «усього» близько $10^{40}$ Вт.

Але якщо під час спалаху енергія концентрується в напрямку спостерігача, то оцінку світності можна знизити. Спостереження післясвітіння GRB990123 і деяких інших сплесків дали вказівки на таке фокусування. Через два дні після спалаху темп падіння яскравості несподівано зростав, що й мало відбуватися, якби спостережуване випромінювання надходило від тонкого струменя речовини, що летить майже зі швидкістю світла. Унаслідок релятивістського ефекту спостерігач бачить дедалі більшу частину струменя в міру його сповільнення. У певний момент він бачить уже весь струмінь, тому надалі яскравість падає значно швидше (див. рис. ліворуч). Для GRB990123 кут розкриття струменя становив кілька градусів. Отже, ми можемо спостерігати спалах, лише якщо він спрямований уздовж нашого променя зору. Ефект фокусування зменшує оцінку випроміненої енергії приблизно пропорційно квадрату кута струменя. Наприклад, за кута розкриття в 10 градусів він охоплює близько 1/500 частини неба, тому оцінка енергії зменшується в 500 разів; при цьому з 500 спалахів ми не помітимо 499. Але навіть з урахуванням ефекту фокусування світність GRB990123 становить $10^{43}$ Вт!

Зв’язок гамма-сплесків і наднових

Одним із найцікавіших відкриттів став зв’язок між гамма-сплесками та надновими. Учені, які спостерігали спалах GRB980425, помітили вибух наднової, позначеної як SN1998bw. Імовірність випадкового збігу – 1:10000.

ЗГАСАННЯ

Найяскравіший із зафіксованих досі гамма-сплесків відбувся 23 січня 1999 р. Телескопи простежили за ним у гамма-променях (на графіку – блакитний), рентгенівських (зелений), оптичних (оранжевий) і радіопроменях (червоний). У певний момент швидкість згасання різко змінилася, вказуючи на те, що випромінювання народжується у вузьких струменях речовини, яка швидко летить. Приблизно через два тижні після спалаху, коли оптична яскравість зменшилася в 4 млн разів, космічний телескоп «Габбл» зробив знімок, на якому зображено дещо спотворену Галактику. Саме тут інтенсивно формуються зорі. Якщо спалахи викликані вибухами молодих зір, то для них це відповідне місце.

Взаємозв’язок явищ підтверджується і наявністю ліній заліза в рентгенівських спектрах деяких спалахів. Як відомо, атоми заліза утворюються і викидаються в міжзоряний простір під час вибухів наднових. Якщо атоми втрачають свої електрони, а потім знову їх захоплюють, вони випромінюють світло певних довжин хвиль, яке називають спектральними лініями. Уперше такі лінії помітили BeppoSAX і японський рентгенівський супутник ASCA у 1997 р., а пізніше їх виміряли інші обсерваторії. Так, рентгенівська обсерваторія Chandra (NASA) зафіксувала лінії заліза у спалаху GRB991216, що дало змогу виміряти відстань до нього. Вона збіглася з оцінкою відстані до галактики, у якій стався вибух.

Подальші спостереження підтвердили зв’язок гамма-сплесків із надновими. У газовій оболонці, що оточує спалах GRB011211, багатодзеркальний рентгенівський супутник Європейського космічного агентства виявив лінії випромінювання кремнію, сірки, аргону та інших елементів, які зазвичай викидаються надновими.

З’являється дедалі більше аргументів на користь того, що один і той самий об’єкт може породити обидва явища. Однак у спостережуваній частині Всесвіту щодня спалахують сотні тисяч наднових, але виникає лише пара гамма-сплесків. За однією з версій, під час вибухів наднових викидаються струмені речовини, що спричиняють гамма-сплески. Причому в більшості випадків астрономи бачать або одне, або друге. Якщо струмінь спрямований на Землю, то в яскравому блиску спалаху не помітне світло наднової; якщо ж струмінь спрямований в інший бік, то побачити можна лише наднову. Але якщо струмінь лише трохи відхилився від нашого променя зору – спостерігаються обидва явища. Саме така ситуація склалася з GRB980425.

За іншою гіпотезою, з народженням наднових пов’язаний певний тип гамма-спалахів. Із зафіксованих BATSE спалахів 90 виділили в особливий клас, для якого характерні мала яскравість і велика спектральна затримка. Це означає, що високо- та низькоенергетичні гамма-імпульси надходять з різницею в кілька секунд, і ніхто не знає, чому ці імпульси не синхронізовані. Але хоч би якою була причина, ці дивні гамма-спалахи відбуваються з тією самою частотою, що й наднові типу Ib/c, які виникають унаслідок колапсу ядра масивної зорі.

Гігантські вогняні кулі

Навіть якщо не замислюватися про джерело енергії гамма-спалахів, парадоксальною здається їхня неймовірна яскравість. Швидкі зміни блиску вказують, що випромінювання виникає в невеликій області: світність у 1019 сонячних виходить з області об’ємом в одне Сонце! При цьому фотони настільки щільно упаковані, що заважають один одному вирватися назовні. Це нагадує людей у натовпі, які в паніці рвуться до виходу й заважають один одному вийти. Але якщо гамма-промені не здатні вирватися назовні, то як ми бачимо гамма-спалахи?

Розв’язання задачі полягає в тому, що гамма-кванти випромінюються не відразу. Спочатку енергія, що виділилася під час вибуху, зберігається у вигляді кінетичної енергії оболонки, що розширюється (вогняної кулі), яка містить фотони, електрони та їхні античастинки — позитрони. Коли діаметр кулі сягає 10–100 млрд км, густина фотонів падає настільки, що гамма-кванти вже можуть вирватися назовні. Частина кінетичної енергії перетворюється на електромагнітне випромінювання, відбувається гамма-спалах.

Судячи з усього, початкове гамма-випромінювання породжується внутрішніми ударними хвилями, що виникають, коли швидші частини речовини, яка розширюється, стикаються з повільнішими. Оскільки оболонка розростається майже зі швидкістю світла, часовий масштаб для зовнішнього спостерігача, згідно з теорією відносності, сильно стиснутий: він бачить спалах тривалістю лише кілька секунд. Продовжуючи розширюватися, вогняна куля вимітає навколишній газ. При цьому на межі зі стисненою зовнішньою речовиною формується нова ударна хвиля, і вона зберігається, коли куля уповільнює розширення. Цією хвилею пояснюються післясвічення гамма-спалаху та переміщення максимуму випромінювання з гамма-діапазону в рентгенівський, потім у видимий і, нарешті, у радіодіапазон.

СПАЛАХ

Хоча вогняна куля може перетворити енергію вибуху на спостережуване випромінювання, що ж є джерелом цієї енергії? Питання ще належить розв’язати. В одних моделях вивчаються гіпернові, або колапсари, що виникають із зір з початковою масою понад 20 або 30 мас Сонця. Ядро такої зорі в певний момент колапсує, унаслідок чого утворюється чорна діра, що швидко обертається й оточена диском із залишків речовини.

В інших моделях розглядаються подвійні системи, що складаються з компактних об’єктів, наприклад пара нейтронних зір (які є надщільними залишками звичайних зір) або нейтронна зоря в парі з чорною дірою. Обертаючись одна навколо одної, два об’єкти поступово зближуються і зливаються. (Уперше детальний сценарій злиття пари нейтронних зір, що призводить до сильного спалаху випромінювання, розглянули в 1984 р. московські астрофізики С. І. Блінніков, І. Д. Новіков, Т. В. Переводчикова та А. Г. Полнарев.) Як і у випадку з гіперновою, утворюється одиночна чорна діра, оточена диском.

Поєднання чорної діри й диска трапляється в багатьох астрономічних об’єктах. Особливість цієї системи — у незвично великій масі диска та у відсутності зорі-компаньйона, здатної поповнювати диск (з чого випливає, що вся енергія виділяється в єдиному «пострілі»). Чорна діра і диск — два гігантські резервуари енергії: гравітаційна енергія диска та енергія обертання діри. Але поки що не зовсім зрозуміло, як саме ця енергія перетворюється на гамма-випромінювання. Можливо, під час формування диска генерується магнітне поле, яке в $10^{15}$ разів сильніше за магнітне поле Землі. У результаті диск розігрівається до такої високої температури, що утворюється вогняна куля з плазми та гамма-променів, яка розлітається у вигляді двох тонких струменів уздовж осі обертання диска.

Оскільки випромінювання гамма-спалаху однаково добре пояснюється як гіперновою, так і злиттям компактних об’єктів, потрібні додаткові характеристики спалаху, щоб вибрати між двома сценаріями. Наприклад, ототожнення гамма-спалахів із надновими свідчить на користь гіпернових, які є просто дуже потужними надновими. Крім того, гамма-спалахи зазвичай спостерігаються саме там, де мають вибухати гіпернові, а саме в тих областях галактик, де відбувається зореутворення. Масивні зорі вибухають невдовзі (через кілька мільйонів років) після формування, тому вони помирають недалеко від місця свого народження. А от для злиття компактних зір потрібен значно більший час (мільярди років), за який вони розходяться по всій Галактиці. Якби компактні об’єкти були причиною гамма-спалахів, то вони не спостерігалися б переважно в областях зореутворення.

Судячи з усього, гіпернові пояснюють більшість гамма-спалахів; але на такому величезному полотні залишиться місце і для злиття компактних зір. Ба більше, розробляються альтернативні моделі. В одному зі сценаріїв вогняна куля утворюється під час виділення енергії з електрично зарядженої чорної діри: як перший спалах, так і післясвічення виникають тому, що вогняна куля змітає навколишню речовину. Астрономи досі точно не знають причин цих вибухів, не вивчені й типи спалахів.

Вибухи з минулого

Досі погано досліджені темні, або «примарні», гамма-спалахи. Із 30 спалахів, вивчених у діапазонах, відмінних від гамма-променів, 90% були видимі в рентгенівських променях. Однак в оптичному діапазоні було помічено лише 50%.

Можливо, спалахи виникають в областях зореутворення, заповнених пилом, здатним поглинути видиме світло, але не рентгенівські промені. Може бути, «примари» — це гамма-спалахи, що відбуваються надзвичайно далеко від нас. Тому ті промені, які ми сприймаємо як світло, мають виходити з району спалаху як ультрафіолетове випромінювання, а отже, вони можуть поглинатися міжгалактичним газом. Вирішальним тестом для перевірки цієї гіпотези стане вимірювання відстаней за рентгенівськими спектрами. Третє припущення: «примари» за своєю природою дуже слабкі в оптичному діапазоні. Поки що більше доказів на користь пилової гіпотези. Високочутливі оптичні та радіоспостереження дали змогу ототожнити ймовірні галактики-господарі для двох темних гамма-спалахів, і обидві вони розташовані на порівняно невеликій відстані від нас.

Не менший інтерес становлять «гамма-спалахи, яскраві в рентгенівських променях», або просто «рентгенівські спалахи». Відкриті BeppoSAX і підтверджені повторним аналізом даних BATSE, вони виявилися характерними для 20–30% гамма-спалахів. Рентгенівські спалахи дають більше випромінювання в рентгенівському, ніж у гамма-діапазоні; а деякі з них узагалі не проявляються в гамма-променях.

Можливо, причина в тому, що оболонка, яка розширюється, «забруднена» великою кількістю баріонної речовини, наприклад протонами. Ці частинки збільшують інерцію вогняної кулі, через що вона рухається повільніше і тому неефективно перетворює фотони на гамма-кванти. Існує й імовірність того, що рентгенівські спалахи можуть надходити з дуже віддалених галактик — навіть віддаленіших, ніж ті, які пропонуються для пояснення «примарних» гамма-спалахів. Космологічне розширення здатне змістити гамма-промені в рентгенівський діапазон, а космологічний газ міг би поглинути оптичне післясвічення. Справді, жоден із рентгенівських спалахів не був зареєстрований в оптичному діапазоні, що узгоджується зі згаданим сценарієм. Якщо «примарні» гамма-спалахи або «гамма-спалахи, яскраві в рентгенівських променях», справді відбуваються в гранично віддалених галактиках, вони можуть «освітити» нам ту еру космічної історії, яка досі залишалася цілком недоступною.

ПРО АВТОРІВ: Нейл Герелс (Neil Gehrels), Луїджі Піро (Luigi Piro) і Пітер Леонард (Peter J. T. Leonard) вивчають гамма-спалахи теоретично та шляхом спостережень. Герелс і Піро — переважно спостерігачі, провідні вчені Обсерваторії гамма-випромінювання Комптона та супутника BeppoSAX. Леонард — теоретик. Герелс очолює відділ космічних променів, гамма-променів і гравітаційно-хвильової астрофізики в Лабораторії астрофізики високих енергій Центру космічних польотів імені Годдарда (NASA). Піро працює в Інституті позаатмосферної астрофізики та космічної фізики Центру ядерних досліджень у Римі. Леонард від Корпорації прикладних наукових систем забезпечує космічні експерименти Центру імені Годдарда.

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА: The Biggest Bangs.The Mystery of Gamma-Ray Bursts. The Most Violent Explosions in the Universt. Jonathan I. Katz. Oxford University Press, 2002. Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe. Govert Schilling. Cambridge University Press, 2002. 

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.