Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Хвостатые вспышки: гамма-всплески

19.02.2013 Наука и жизнь

В 2010 году Fermi нашёл в центре Млечного пути два огромных «пузыря», являющихся источником гамма-излучения. Одной из обстоятельств смогут являться джеты, выбрасываемые огромной черной дырой в центре галактики — но это пока только догадка
Обнаружение гамма-всплесков — не единственная задача космического телескопа Fermi.

Гамма-картирование неба, совершённое посредством его инструментов, распознало пара «неопознанных» источников гамма-излучения. Позднее они были идентифицированы как 17 новых пульсаров (на карте они обозначены кружочками, броская горизонтальная полоса — отечественный Млечный путь).
Одна из моделей долгих гамма-вспышек связана с коллапсарами — массивными звездами (более 20 солнечных весов), лишенными водородной оболочки.

Ядро таковой звезды коллапсирует в черную дыру, которая засасывает вещество аккреционного диска и выбрасывает на протяжении оси вращения релятивистские джеты — струи вещества, разогнанного до околосветовых скоростей. Пробивая оболочку звезды, джеты порождают замечательное гамма-излучение, сконцентрированное в узком конусе.Хвостатые вспышки: гамма-всплески
Гамма-глаза

В 1960-х годах США послали в космос пара специальных спутников семейства Vela, предназначенных для регистрации элементарных фотонов и частиц высоких энергий. Не смотря на то, что эти спутники не имели никакого отношения к астрономии (они должны были отслеживать для Пентагона советские ядерные опробования на обратной стороне Луны), как раз они стали первооткрывателями очень увлекательного астрономического феномена — гамма-вспышек.

В марте 1969 года сотрудники маленькой научной группы в Лос-Аламосе, где обрабатывалась поступающая из космоса информация, обратили внимание, что пара спутников-близнецов серии Vela-4 еще во второй половине 60-ых годов XX века зарегистрировала два непродолжительных импульса гамма-излучения, каковые нельзя приписать ни взрыву сверхновой, ни солнечным вспышкам, ни советским ядерным опробованиям. К лету 1973-го усовершенствованные спутники серии Vela-5 отследили уже 16 аналогичных вспышек.

Первооткрыватели таинственного явления Рей Клибсадел и Рой Олсон, и сотрудничавший с ними Йен Стронг сказали об этом открытии на страницах Astrophysical Journal Letters. Маленькая заметка начала новоенаучному направлению — изучению космических гамма-всплесков, cosmic gamma-ray bursts (GRB, в русскоязычной литературе их именуют кроме этого гамма-гамма барстерами и-вспышками, не смотря на то, что последний термин на данный момент употребляют редко).

Сбор информации

Информация о гамма-всплесках накапливалась медлительно. Сначала детектировались лишь импульсы длительностью 10−30 секунд, складывающиеся из гамма-квантов с маленькой примесью рентгена. Со временем обнаружилось, что около трети всех всплесков меньше двух секунд, а их средняя продолжительность образовывает только 300 миллисекунд.

Эти импульсы отличаются большей жесткостью гамма-излучения (в противном случае говоря, присутствием более энергичных гамма-квантов), но по части полной светимости уступают более продолжительным всплескам. Такие всплески нарекли маленькими, а все другие (время от времени растягивающиеся на десятки мин.) — долгими. Недавно были выделены в независимый класс весьма маленькие гамма-всплески длительностью меньше 100 миллисекунд.

На данный момент собраны информацию о нескольких тысячах гамма-вспышек разных типов. Приблизительно добрая половина информации взята детектирующим комплексом BATSE (Burst and Transient Source Experiment), что стоял на борту американской космической обсерватории «Комптон», запущенной в апреле 1991 года и снятой с орбиты в июне 2000-направляться. Один данный прибор зарегистрировал 2704 гамма-вспышки — приблизительно по одной ежесуточно.

Их источники не только не были сконцентрированы в плоскости отечественной Галактики, но, наоборот, однородно распределялись по всей небесной сфере (эту тенденцию еще в конце 1970-х распознал коммунистический космический опыт «Конус»). Исходя из этого в 1990-х укрепилось вывод, что гамма-всплески появляются на расстояниях в миллионы а также миллиарды световых лет от Почвы (такие расстояния именуют космологическими). Из этого следовало, что для генерации всплесков нужна фантастическая энергия, в полной мере сравнимая с той, которая выделилась бы при полной аннигиляции небесных тел приличного размера.

Подтверждений данной догадки было нужно ожидать еще пара лет. Все дело было в том, что восемь детекторов комплекса BATSE локализовали размещение вспышек на небесной сфере весьма примерно, с точностью от одного до десяти градусов (другими словами от 2 до 20 угловых диаметров полной Луны). Координаты практически много вспышек удалось выяснить с меньшей погрешностью, но все же не через чур совершенно верно.

Исходя из этого продолжительное время не получалось привязать гамма-всплески к конкретным источникам видимого света, расстояние до которых возможно было бы измерить по красному смещению спектральных линий.

Привязка к небу

Первый ход к преодолению данной неопределенности был сделан командой ученых во главе с голландским астрологом Яном ван Парадейсом 14 лет назад. Ученые трудились с данными, взятыми с итало-голландской орбитальной обсерватории BeppoSAX, которая прежде всего предназначалась для изучений в рентгеновском диапазоне, но была оснащена детектором длинноволновых гамма-квантов с энергиями 60−600 кэВ (время от времени 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 этот раз не превышала одной угловой 60 секунд, и именно на этом месте неба был распознан очень тусклый объект, различимый посредством оптических телескопов. Действительно, расстояние до него удалось выяснить только примерно, но это было лишь начало.

8 мая и 14 декабря BeppoSAX навел ученых еще на два долгих гамма-всплеска с оптическими двойниками, каковые уж без сомнений отстояли от Солнца на космологические расстояния (последний — аж на 12 млрд световых лет!).

Но это были еще цветочки. 12 января 1999 года BATSE зарегистрировал полутораминутный всплеск, источник которого удалось скоро локализовать посредством нового роботизированного телескопа ROTSE 1, установленного на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории. Телескоп нашёл в указанном направлении световую вспышку длительностью чуть больше 60 секунд.

Ее возможно было бы подметить и невооруженным глазом, будь она всего раз в десять бросче, не смотря на то, что от источника нас отделяли 9 млрд световых лет. В гамма-диапазоне данный всплеск выкинул около 4х1054 эрг (1 эрг = 10−7 Дж) — действительно, при допущении, что он равномерно светил по всем направлениям. Такая оценка полной энергии излучения именуется изотропным эквивалентом, и в этом случае он был равным энергии, которая выделилась бы при полной аннигиляции звезды в два раза тяжелее Солнца!

Само собой разумеется, в случае если излучение было выкинуто в узком конусе, хватило бы гораздо меньшей энергии, и такая интерпретация в итоге стала общепринятой. Но в любом случае сейчас уже провалились сквозь землю всякие сомнения в том, что гамма-всплески порождены космическими катаклизмами замечательной мощности.

Космически глаза

Сейчас возможности гамма-астрономии расширились благодаря новейшим космическим обсерваториям, оснащенным не только гамма-детекторами, но и телескопами, трудящимися на более долгих волнах. Исходя из этого стало возмможно оперативно отслеживать гамма-всплески кроме того без участия наземной аппаратуры.

Первой таковой обсерваторией стал американский астроспутник HETE-2 (High Energy Transient Explorer), трудившийся с 2000 по 2006 год. Он определял положение гамма-всплесков с точностью до десяти угловых секунд и сделал множество открытий. Так, он нашёл 25-секундный всплеск GRB 030329, что удалось связать со сверхновой звездой SN 2003 dh, вспыхнувшей в 2 млрд световых лет от Солнца. Это стало первой надежной демонстрацией того, что кое-какие гамма-всплески сопутствуют взрывам сверхновых.

Самые ранние свидетельства этого были взяты на протяжении наблюдения 30-секундного всплеска GRB 980425, но степень достоверности в том случае была намного меньшей.

За HETE-2 последовала действующая сейчас интернациональная обсерватория Swift, выведенная на околоземную орбиту 29 ноября 2004 года. На ней стоит детектор длинноволновых гамма-квантов с энергиями 15−150 кэВ, и телескопы — рентгеновский и оптический. Эти устройства регистрируют послесвечение гамма-всплесков и определяют их координаты с только высокой точностью — до десятых долей угловой секунды.

К маю 2010 года Swift отловил более чем 500 гамма-всплесков, причем более половины — с оптическим послесвечением. Одним из них первенствовалмаленький всплеск, владеющий световым хвостом, зарегистрированный 9 мая 2005 года. На основании этого наблюдения было выяснено расстояние до источника и доказано, что и маленькие всплески появляются на космологических расстояниях от Солнца.

19 марта 2008 года Swift увидел всплеск, сопровождающийся таковой яркой вспышкой видимого света, что в течение 30 секунд ее возможно было видеть без всякой оптики — и это при том, что расстояние до источника составляло 7,5 млрд световых лет! 23 апреля 2009 года Swift рассмотрел 10-секундный гамма-всплеск c рекордно высоким красным смещением 8,2, что был всего на 630 млн лет моложе эры Громадного взрыва.

Сейчас большой вклад в изучение 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. Главный прибор обсерватории, обзорный гамма-телескоп (Large Area Telescope, LAT), разрешает отлавливать гамма-кванты очень высоких энергий — впредь до 300 ГэВ.

16 сентября 2008 года эта обсерватория зарегистрировала гамма-всплеск с громаднейшим на сегодня изотропным энергетическим эквивалентом в 8,8х1054 эрг, что соответствует полной аннигиляции приблизительно пяти солнечных весов.

Интерпретация данных

Новые наблюдения очень пополнили отечественные знания о гамма-всплесках. Обсерватория Swift накопила богатейший архив сведений о красном смещении оптического послесвечения гамма-всплесков, разрешающем оценить расстояние до их источников. «на данный момент мы собираем данные о том, в каких галактиках значительно чаще наблюдаются источники всплесков, — растолковывает «ПМ» Крисса Коувелиотоу из Центра космических полетов NASA им.

Маршалла, которая первой ввела классификацию гамма-всплесков на маленькие и долгие. — По предварительной оценке, в том месте меньше элементов тяжелее гелия, нежели в отечественной собственной Галактике, и следовательно, появились они на более ранних этапах эволюции Вселенной. Мы кроме этого пробуем осознать, запрещено ли воспользоваться излучением гамма-всплесков для просвечивания пространства. В случае если это удастся, покажется возможность взять дополнительную данные о распределении материи во Вселенной.

Автоматические космические обсерватории разрешают намного лучше распознать связь между взрывом и всплеском сверхновой и усовершенствовать теоретические модели происхождения гамма-всплесков разного типа. В целом эксперты согласны с тем, что долгие всплески появляются при гравитационном коллапсе звезд-гигантов, а маленькие — при слиянии и столкновении нейтронных звезд. Но тут имеется множество нюансов, каковые предстоит прояснить.

К примеру, мы пока не знаем, из-за чего излучение маленьких гамма-всплесков время от времени равномерно разбрасывается по всем направлениям, а время от времени концентрируется в широкого конуса с углом раствора не меньше 30?. Наоборот, излучение долгих всплесков выходит через узкие конусы с обычным раствором в 5−10?, что всецело соответствует модели смерти звезд-коллапсаров».

Космический телескоп Fermi на данный момент зарегистрировал два десятка гамма-вспышек с энергиями фотонов выше 15 ГэВ. Это весьма важное достижение, потому, что предшествующие обсерватории ни при каких обстоятельствах не информировали о?всплесках с энергиями квантов более 2 МэВ. «Эта информация воображает громадный интерес для космологии и фундаментальной физики, — говорит Линн Комински, профессор и астрономии факультета и декан физики Калифорнийского университета в округе Сонома. — Имеется все основания считать, что сверхэнергичные фотоны ощущают квантовую природу гравитации, которая лежит за рамками неспециализированной теории относительности.

Теория говорит, что такие кванты распространяются пара медленней, нежели фотоны меньших энергий, и исходя из этого преодолевают космологические расстояния с ощутимой задержкой. Это явление еще не найдено, но будущее продемонстрирует. Новая аппаратура кроме этого разрешит узнать, возможно ли применять гамма-всплески в качестве эталонных источников излучения.

на данный момент эту роль выполняют звезды из сверхновые типа и группы цефеид Ia. Гамма-всплески намного бросче и потому пригодны для измерения космических расстояний куда большего масштаба. Наконец, имеется шансы найти гамма-всплески, порожденные взрывами сверхмассивных звезд первого поколения, сформировавшихся во времена, в то время, когда во Вселенной фактически не было вторых элементов, не считая водорода и гелия.

Я не побоюсь назвать эту цель святым Граалем современной гамма-астрономии».

Всплески: долгие, маленькие

Согласно точки зрения доктора наук Техасского университета в Остине Крейга Уилера, происхождение долгих гамма-всплесков наилучшим образом растолковывает модель, связывающую их со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд. Такие взрывы оставляют по окончании себя либо черные дыры, либо магнетары — очень сильно намагниченные скоро вращающиеся нейтронные звезды. В соответствии с данной моделью гамма-кванты должны выбрасываться в узких конусов, направленных на протяжении оси вращения гибнущей звезды.

Их источниками, вероятнее, помогают ультрарелятивистские джеты — потоки частиц, чья скорость только на тысячные доли процента меньше скорости света. Неспециализированная энергия коллимированных выбросов гамма-квантов должна быть в тысячи раз меньше изотропного эквивалента и исходя из этого кроме того в максимуме не превышает 1051 эрг (1044 Дж). Коллапсу весьма массивной звезды в полной мере по силам обеспечить таковой энергетический выход.

Для свободного выброса гамма-квантов звезда обязана избавиться от внешней водородной оболочки, в противном случае та поглотит солидную часть излучения. «Но это только неспециализированная картина, — говорит Уилер. — Подробности работы космических автомобилей, преобразующих гравитационную и вращательную энергию гибнущих звезд в направленное гамма-излучение, пока еще не узнаны. В частности, нам неизвестно, какой вклад в эти процессы вносят заряженные магнитные поля и частицы и на каких расстояниях от центра коллапсара рождаются главные потоки гамма-квантов».

самая популярная модель происхождения маленьких всплесков говорит, что они появляются при столкновении намагниченных нейтронных звезд, каковые обращаются около неспециализированного центра инерции и неспешно сближаются из-за утраты энергии, уносимой гравитационными волнами. Но у данной модели имеется собственные белые пятна. Крейг Уилер отмечает: «Имеется и другие догадки, к примеру рождение маленьких всплесков в аккреционных дисках белых карликов, но они также не хватает обоснованы».

И весьма маленькие

Доктор наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Дэвид Клайн занимается изучением наикратчайших всплесков. Информация о них очень скудная — из-за ограниченных возможностей аппаратуры. На сегодня зарегистрировано только пара десятков всплесков этого типа, причем продолжительность некоторых из них составляла всего 11 миллисекунд.

Но наверняка из космоса приходят всплески, измеряемые не только миллисекундами, но долями миллисекунд, легко до тех пор пока нет возможности их найти.

Весьма маленькие всплески — рекордсмены по жесткости гамма-излучения, но большие энергии их фотонов еще не выяснены. Об их послесвечении мало что известно, но если оно вправду существует, то должно быть намного не сильный послесвечения всплесков других типов.

«В полной мере быть может, что для объяснения природы самых маленьких всплесков не пригодятся никакие экзотические модели, — говорит Клайн, — но я придерживаюсь мнения, что эти всплески появляются на протяжении исчезновения черных дыр, появившихся практически сразу после Громадного взрыва и просуществовавших до современной эры». Такие дыры смогут порождать гамма-всплески двумя дорогами.

Стивен Хокинг в первой половине 70-ых годов XX века теоретически продемонстрировал, что каждая черная дыра непрерывно испускает квантовое излучение с чернотельным спектром. Вследствие этого она неспешно теряет массу и, как это ни парадоксально, не охлаждается, а нагревается. В итоге дыра взрывается и излучает в гамма-диапазоне энергию порядка 1030 эрг.

Дыры звездной массы и тем более сверхмассивные дыры в ядрах галактик худеют очень медлительно, более легкие — намного стремительнее. Расчеты говорят о том, что мини-дыра, показавшаяся на свет с массой порядка 1010−1011 г, обязана взорваться в отечественную эру, и мы сможем зарегистрировать ее гамма-излучение, в случае если

она находится совсем рядом, не потом двух-трех световых лет.

Но доктор наук Клайн считает, что существует и более экстравагантный метод генерации гамма-квантов, дешёвый дыре с исходной массой в 1014—1015 гг. В то время, когда такая дыра прогревается до триллионов градусов, простая материя в ее окрестностях преобразовывается в кварк-глюонную плазму. Это фазовый переход первого рода, подобный превращению воды в лед. Он ведет к выделению огромной энергии, которая и генерирует весьма маленький гамма-всплеск.

Такие всплески возможно засечь, в случае если их источник находится от нас на дистанции в два-три десятка световых лет. И доктор наук Клайн не теряет надежды, что детекторы космического телескопа Fermi когда-нибудь смогут подтвердить его догадку: «В случае если космические обсерватории новых поколений смогут улавливать микросекундные, в противном случае и наносекундные гамма-импульсы, покажется возможность замечать такие подробности физики космоса, о которых на данный момент запрещено кроме того и грезить». В этих надеждах и содержится очарование старейшей, но неизменно юной науки о Вселенной.

Продолжение банкета

И долгие, и маленькие гамма-всплески владеют длинноволновым продолжением — послесвечением. За исходным гамма-импульсом направляться поток рентгена обычной протяженностью в пара дней. Он переходит в ультрафиолет, после этого в?видимый свет, в инфракрасное излучение и в итоге?- в?радиоволны, каковые удается записывать в течении месяцев и недель (действительно, у половины замечаемых гамма-всплесков нет оптических хвостов — по пути к Почва их поглощает космическая пыль).

Это явление предсказали Богдан Пачинский и?Джеймс Роадс в первой половине 90-ых годов двадцатого века. У долгих всплесков его нашли на протяжении отслеживания GRB 970228, а у маленьких в первый раз замечали в?2005 году. Считается, что послесвечение появляется благодаря ультрарелятивистским (распространяющимся практически со скоростью света) ударным волнам в межзвездном газе, окружающем источник гамма-всплеска.

Вещество, которое переносят ударные волны, неспешно охлаждается и испускает фотоны все меньших энергий. Подробности этого механизма еще предстоит узнать.

Гамма-всплески

Изучение гамма-всплесков обещает очень много открытий. В случае если космические обсерватории смогут улавливать микросекундные гамма-импульсы, покажется возможность замечать такие подробности физики космоса, о которых до тех пор пока запрещено и грезить

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№101, март 2011).

Случайные записи:

Самый мощный гамма-всплеск


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,