Самый яркий взрыв Вселенной

Полгода назад, 19 марта 2008 года, ровно в 09 часов 12 минут по московскому времени в небе ненадолго показалась новая звезда. Над Россией в это время уже встало солнце, но вот жители Западного полушария Земли могли разглядеть под правой звёздочкой «парашютного купола» созвездия Волопаса быстро гаснущий объект, который астрономы назвали GRB080319B.

Невооружённым взглядом GRB080319B можно было видеть на тёмном небе лишь около минуты, но оно того стоило.

Этот свет родился на полпути к краю наблюдаемой Вселенной и летел до нас 7,4 миллиарда лет.

Когда эти фотоны были испущены умирающей звездой, наш мир был вдвое меньше, чем сейчас, а до появления Солнца и Земли оставалось ещё 3 миллиарда лет.

Удалось ли хотя бы одному невооружённому глазу на нашей планете увидеть этот свет на самом деле – мы вряд ли когда-нибудь узнаем. На самом деле маловероятно: уж слишком недолго эта звёздочка держалась и слишком слабой была, а на планете осталось не так много мест, где увидеть объект пятой с небольшим звёздной величины не помешают ночные фонари или зарево от какого-нибудь большого города.

Но вспышку зафиксировали два автоматических телескопа – российско-итальянский TORTORA и польский прибор Pi of the Sky.

Оба телескопа предназначены для поиска оптических напарников так называемых гамма-всплесков – вспышек жёсткого излучения, которые фиксируют орбитальные телескопы, работающие в гамма-диапазоне электромагнитных волн. Результаты наблюдений GRB080319B российско-итальянским и польским телескопами и ещё кучей инструментов, работавших в диапазоне от жёсткого гамма-излучения до самых длинных радиоволн, опубликованы в последнем номере Nature.

Телескопы-роботы

Как рассказали «Газете.Ru» двое создателей TORTOR'ы, руководитель группы релятивистской астрофизики Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН Григорий Бескин и его сотрудник Сергей Карпов, TORTORA относится к классу мониторинговых инструментов – телескопов с огромным по астрономическим меркам полем зрения в сотни и тысячи квадратных градусов.

Такие приборы, которые Бескин и его научная группа вместе с Сергеем Бондарем из Института прецезионного приборостроения начали разрабатывать ещё в конце прошлого века, непрерывно – насколько хватает тёмного времени суток – разглядывают ту же область неба, куда в данный момент смотрит орбитальный телескоп. Поэтому всякий раз, когда спутник фиксирует гамма-всплеск, в это место уже смотрит мониторинговый телескоп в надежде увидеть оптический напарник вспышки в гамма-диапазоне. Впервые оправдались эти надежды 19 марта 2008 года – для TORTORA и Pi of the Sky.

Всего в мире сейчас работают около десятка мониторинговых телескопов – как правило, в местах с хорошим астрономическим климатом. Например, оба «счастливчика» – и TORTORA, и Pi of the Sky – расположены в Чили. У TORTORA есть и «старший брат» – FAVOR, расположенный в самой САО РАН на Северном Кавказе. Он, правда, GRB080319B не поймал: в России в момент вспышки уже начался день. FAVOR создан российскими учёными из САО РАН, Института прецизионного приборостроения (НИИ ПП) и Института космических исследований (ИКИ). А TORTOR'а – результат коллаборации ученых из САО РАН, НИИ ПП и итальянских исследователей из Болонского университета и Обсерватории Брера. С итальянского tortora переводится как «горлица», «голубка».

По словам Григория Бескина, помимо мониторинговых систем используются и так называемые алертные, или реагирующие. Это телескопы с меньшим полем зрения, зато с очень быстрыми системами наведения. Как только орбитальный телескоп фиксирует гамма-вспышку, данные с орбиты рассылаются по обсерваториям всего мира, и специализированные телескопы-роботы сами наводятся в нужную область неба. Правда, требуется для этого от десятка секунд до нескольких минут.

19 марта сигнал поступил от космического аппарата Swift, зафиксировавшего поток гамма-квантов и определившего примерное направление на их источник. Одновременно сработал и российский прибор Konus, созданный учёными петербургского Физико-технического института имени Иоффе, который уже 14 лет успешно работает на борту американского исследовательского спутника Wind. Несмотря на солидный возраст инструмента, полученные им данные оказались даже качественнее информации, предоставленной более юной аппаратурой Swift'а, которая просто «ослепла» от чересчур яркой вспышки.

По наводке Swift'а и Konus/Wind около десятка алертных телескопов по всему миру повернулись в направлении созвездия Волопаса и тщательно задокументировали, как GRB080319B быстро угасал.

Но мониторинговым TORTORA и Pi of the Sky удалось большее: они увидели всю вспышку в развитии – и подъём блеска, и его падение.

При том у TORTORA превосходное временное разрешение. Если поляки делали снимки всего раз в 10 секунд, то конструкция российско-итальянского прибора позволяет ему работать почти как настоящей видеокамере, получая по восемь кадров в секунду.

На самом деле в тот день в нужную область неба смотрели и несколько алертных телескопов: получасом ранее всего в 10 градусах от GRB080319B произошла ещё одна вспышка, GRB080319A. Тот день вообще выдался на редкость урожайным на гамма-всплески: хотя в среднем Swift фиксирует два-три всплеска в неделю, здесь за одни сутки их оказалось пять. Однако поле зрения алертных телескопов недостаточно велико, и только TORTORA и Pi of the Sky вовремя заметили и второй всплеск, который оказался самым ярким за всю историю астрономии.

Гамма-всплески

Вообще исследования в оптике до сих пор играли ключевую роль в понимании природы гамма-всплесков. Эти короткие, продолжительностью от нескольких секунд до пары-тройки минут небесные явления были открыты ещё в 1967 году американскими спутниками-шпионами, которые были запущены на орбиту, чтобы следить, как Советский Союз соблюдает договор 1963 года о запрете ядерных испытаний в атмосфере.

Но вместо улик, изобличающих СССР, аппаратура увидела сигнал, пришедший откуда-то из глубокого космоса. Через пять лет американцы сняли с этих данных гриф «секретно», но ещё четверть века гамма-всплески оставались, наверное, самым загадочным явлением астрофизики. Не было понятно, даже где они происходят – на границах Солнечной системы, в гало нашей галактики или на окраине Вселенной.

Лишь в конце 1990-х годов учёные убедились, что верно последнее предположение. Гамма-всплески – свидетельства процессов, происходящих в далёких галактиках, и, коль скоро мы видим их на Земле, истинная энергетика этих процессов грандиозна.

Это самые мощные взрывы во Вселенной.

В момент вспышки эти объекты светят в миллионы раз ярче самых крупных галактик, состоящих из сотен миллиардов звёзд.

Определить истинное расстояние до этих объектов помогло именно обнаружение первых оптических послесвечений гамма-всплесков наземными телескопами. Очень скоро в их спектрах нашли линии, оставленные газом далёких галактик, через которые прошёл свет от гамма-всплеска. Именно по этим линиям и удалось определить расстояния; считается, что гамма-всплеск расположен в самой далёкой из галактик, оставивших след в его спектре (через все остальные свет прошёл по пути). Постепенно на очень глубоких изображениях неба стали проявляться и сами галактики, где происходят эти космические катаклизмы.

Выяснив с помощью оптических наблюдений, какова энергетика объектов, учёные смогли заняться их физикой. Сейчас считается, что гамма-всплески бывают двух видов – короткие и длинные. Первые продолжаются максимум несколько секунд, длительность вторых может измеряться минутами; заметно отличаются и спектры гамма- и рентгеновского излучения объектов этих двух классов.

По современным представлениям, и те и другие связаны с образованием чёрных дыр.

Только образуются они по разным причинам. Первые – при слиянии двух «звёздных трупов», нейтронных звёзд и белых карликов, вторые – непосредственно при гибели очень массивной звезды с образованием чёрной дыры.

Дни сжимаются в секунды

Когда стало ясно, какова истинная светимость гамма-всплеска, перед учёным встал, казалось, неразрешимый парадокс. Выделение такой огромной энергии за очень короткое время приводит к такой плотности излучения, что оно неизбежно должно порождать вокруг себя пары частиц и античастиц, на которых само же будет рассеиваться. В итоге, как ни крути, таких ярких объектов мы видеть не должны. Но видим.

Выход был найден, когда астрофизики поняли, что

явление, которое мы наблюдаем, – сильно, в тысячи и миллионы раз сжатая во времени картина реальных событий.

Мимо Земли эта вспышка излучения проносится за секунды и минуты, но на деле продолжается дни, недели и даже месяцы.

Такое возможно, если предположить, что само излучение возникает в веществе, которое стремительно движется прямо на нас со скоростью, близкой к скорости света. В этом случае кванту света, который излучается на секунду позже, приходится преодолевать до Земли меньшее расстояние, чем тому кванту, что отправился в путешествие на секунду раньше – просто потому, что за эту секунду сам источник света подвинулся ближе к нам.

Правда, чтобы сжать сигнал в тысячи и миллионы раз, вещество должно двигаться с очень большими скоростями – в 99,95% скорости света для сжатия в тысячу раз и 99,99995% – чтобы сжать сигнал в миллион раз. Кстати, протоны, запущенные в среду по большому кругу Большого адронного коллайдера под Женевой, двигались с меньшей скоростью, но именно такие скорости реализуются в гамма-всплесках.

В струю

Впрочем, с такой скоростью, по-видимому, расширяется не вся оболочка. Большая часть вещества при длинном гамма-всплеске сбрасывается с относительно небольшими скоростями в десятки тысяч километров в секунду – как и при взрыве обычной сверхновой. По-настоящему околосветовыми скоростями обладают лишь пара струй (так называемых джетов), разлетающихся в противоположных направлениях. Учёные уверены, что вещество, падающее на только что сформировавшуюся и быстро вращающуюся чёрную дыру, образует вокруг неё плотный диск, через который и поступает на съедение центральному монстру. А вот то, что проглотить не получается, и разлетается двумя струями.

Как конкретно это происходит, пока неясно. Понятно лишь, что при разгоне до таких высоких скоростей не обходится без крайне экзотических процессов. И именно в этом одна из причин заинтересованности астрофизиков в изучении гамма-всплесков.

Кроме того, они могут стать отличным средством изучения истории Вселенной в целом.

Ведь это ярчайшие события, которые можно увидеть, даже если они произошли в самых удалённых уголках нашего мира. Прежде чем попасть в объективы земных телескопов, испущенные ими лучи света миллиарды лет путешествуют по Вселенной, и за это время с ними происходит немало интересного. Лучи «краснеют», растягиваясь вместе с Вселенной, теряют энергию, преодолевая притяжение продолжающих формироваться скоплений галактик, изменяют направление, проходя вблизи массивных тел. Всё это представляет громадный интерес для астрономии.

Правда, прежде чем использовать гамма-всплески, надо разобраться в их физике и выяснить, как часто они происходят. А последнее напрямую зависит в том числе и от угла раскрытия упомянутых выше струй. Например, если эти струи очень широкие, то мы на Земле видим большую часть всех гамма-всплесков, происходящих во Вселенной. Если же лучи этих межгалактических прожекторов узки, то Земля попадает в них относительно редко, а значит, на самом деле гамма-всплески случаются много чаще, чем нам кажется, просто большую их часть мы не видим.

Сейчас большинство астрономов полагают, что угол раскрытия струи составляет около одного-двух десятков градусов. Конечно, непосредственно увидеть струю даже с помощью самых современных методов невозможно – слишком далеко расположены эти объекты. Но косвенно оценить угол можно.

Во-первых, около десяти лет назад с помощью радиотелескопа удалось определить полный поток энергии, который гамма-всплеск GRB970508 впрыснул в окружающий его по всем направлениям газ. Из этой оценки можно вычислить, насколько ярким всплеск должен казаться на Земле, и значение получилось вдесятеро меньшим, чем наблюдается в действительности. Отсюда учёные заключили, что энергия излучалась не во все стороны, а в конус диаметром около 30 градусов, а Земля просто оказалась в луче этого «прожектора».

Во-вторых, оценку угла раствора всплеска можно оценить по одной лишь кривой блеска. Двигаясь в струе, вещество постепенно замедляется, и яркость его свечения падает. В определённый момент на кривой блеска появляется характерный излом, по которому можно оценить угол раствора струи. Реальные наблюдения этих изломов показывают, что он составляет один-два десятка градусов. Впрочем, это значение сильно варьируется от всплеска к всплеску, да и наблюдаются изломы далеко не каждый раз.

В случае с самым ярким в истории всплеском, похоже, изломов было два.

Авторы работы в Nature полагают, что в данном случае мы наблюдали сразу две струи, вложенных друг в друга. «Внешняя», широкая струя обладала углом раствора около 8 градусов, и вещество в ней было ускорено до относительно «умеренных» скоростей в 99,95% скорости света.

Однако по её центру била ещё более мощная струя с углом раствора всего в полградуса; скорость вещества в ней всего на 0,00005% отличалась от скорости света.

Земля попала в эти полградуса угла раствора центральной струи, что и объясняет феноменальную яркость GRB080319B.

Менее яркие всплески в данной модели – те, при которых на нас светил лишь широкий прожектор, а узкий луч миновал нашу планету.

Вопросы остаются

Впрочем, никаких моделей внутреннего физического устройства гамма-всплесков, способных объяснить, как рождаются две вложенные друг в друга струи, у учёных нет. Как, признаться, и достаточно проработанной модели возникновения хотя бы одной струи.

В любом случае модель вложенных струй можно рассматривать в качестве первого приближения к полноценной теории, в полной мере учитывающей изменения в скорости истечения вещества и его плотности по всему профилю струи. Из общих соображений кажется вполне разумным, что самое скоростное вещество будет выброшено по центру, а к границам эта скорость будет падать. В этом случае модель вложенных струй – очень грубое упрощение. Сейчас мы лишь начинаем понимать, как устроены самые мощные взрывы во Вселенной.

Никак не вписывается в современные модели гамма-всплесков и быстрая переменность оптического излучения, обнаруженная телескопом TORTORA.

Как рассказывает Григорий Бескин, хотя оптическая вспышка началась и закончилась практически одновременно с всплеском в гамма-лучах (слабое оптическое «послесвечение» продолжалось и дальше, но у него другая природа), поток энергии в двух диапазонах менялся совершенно непохожим образом. В гамма-диапазоне всплеск не отличался от сотен своих собратьев – это сильно изрезанная отдельными импульсами кривая блеска с неожиданными взлётами и вертикальными падениями почти до нуля.

Тем временем оптическое излучение, не обращая никакого внимания на эти стремительные колебания, около полуминуты держалось на примерно одинаковом уровне с колебаниями всего в полтора-два раза на масштабах в несколько секунд.

Это самая быстрая оптическая переменность, когда-либо зафиксированная у объектов на космологических расстояниях.

При том колебания эти были почти периодическими, а характерная временная шкала переменности – примерно в полтора раза больше типичной продолжительности отдельных импульсов в гамма-диапазоне. Такого положения дел вообще никто не ожидал. Ещё более или менее поддавались бы объяснению изменения в двух диапазонах, хорошо коррелирующие друг с другом, или медленные изменения в оптике на фоне быстрой переменности в гамма. Однако похожие по временным масштабам, но совершенно не совпадающие друг с другом колебания – «это проблема для всех современных моделей», говорит астроном.

Тем не менее опыт развития науки показывает, что и эта загадка рано или поздно разрешится. В конце концов, GRB080319B – самый первый гамма-всплеск, который удалось «поймать за хвост» непосредственно в фазе подъёма блеска, да к тому же измерить его быструю переменность. И, хотя такие яркие события, как GRB080319B, должны, по оценкам астрономов, случаться лишь раз в несколько лет, нет сомнений, что TORTORA и подобные ей инструменты в ближайшие годы откроют ещё немало пусть менее ярких, но не менее интересных событий. И самые мощные взрывы во Вселенной станут чуть-чуть менее загадочными.

Сейчас астрономы активно работают над созданием систем, которые позволили бы получить не только только информацию об изменениях блеска этих скоротечных вспышек, но и их спектры, а также данные о поляризации излучаемого ими света.

И всё это с сохранением высокого временного разрешения.

В частности, группа Григория Бескина сейчас работает над созданием целой батареи из 75-80 небольших телескопов с полем зрения диаметром около 5 градусов. Вместе они смогут осматривать участок неба площадью около 2 тысяч квадратных градусов и видеть объекты в несколько раз более слабые, чем сейчас доступны TORTOR'е и FAVOR'у. А вот обнаружив вспышку, объединят свои усилия, устремив свои взоры на самый интересный на тот момент объект. Каждый из телескопов можно снабдить своим спектральным фильтром или поляриметром – объединение усилий не отменяет разделения труда.