Гамма-всплеск: определение, причины возникновения, последствия

Большой интерес для современной астрофизики и космологии представляет особый класс явлений, получивший название гамма-всплесков. В течение нескольких десятков лет, и особенно активно в последние годы, наука накапливает наблюдательные данные, касающиеся этого масштабного космического феномена. Природа его еще не прояснена окончательно, но существуют достаточно обоснованные теоретические модели, претендующие на ее объяснение.

Понятие о явлении

Гамма-излучение – это самая жесткая область электромагнитного спектра, формируемая фотонами высокой частоты – приблизительно от 6∙10¹⁹ Гц. Длины волн гамма-квантов могут быть сопоставимы с размерами атома, а также могут быть меньше его на несколько порядков.

Гамма-всплеском называют кратковременную и чрезвычайно яркую вспышку космического гамма-излучения. Продолжительность ее может составлять от нескольких десятков миллисекунд до нескольких тысяч секунд; чаще всего регистрируются вспышки длительностью около секунды. Яркость всплесков бывает существенной, в сотни раз выше суммарной яркости неба в мягком гамма-диапазоне. Характерные энергии составляют от нескольких десятков до тысячи килоэлектронвольт на квант излучения.

Источники вспышек распределяются по небесной сфере равномерно. Доказано, что источники их находятся крайне далеко, на космологических расстояниях порядка миллиардов световых лет. Еще одна особенность всплесков – разнообразный и сложный профиль развития, иначе называемый кривой блеска. Регистрация этого явления происходит практически каждый день.

История изучения

Открытие произошло в 1969 году при обработке информации с американских военных спутников Vela. Выяснилось, что в 1967 году спутники зафиксировали два коротких импульса гамма-излучения, которые сотрудники группы не смогли ни с чем отождествить. В течение нескольких лет количество подобных событий возросло. В 1973 году данные Vela были рассекречены и опубликованы, и началось научное исследование феномена.

В конце 1970-х – начале 1980-х годов в Советском Союзе в ходе серии экспериментов КОНУС было установлено существование коротких всплесков длительностью до 2 секунд, а также доказано, что вспышки гамма-излучения распределяются случайным образом.

В 1997 году было открыто явление «послесвечения» – медленного затухания всплеска на более длинных волнах. После этого ученые впервые сумели отождествить событие с оптическим объектом – очень далекой галактикой с красным смещением z=0,7. Это позволило подтвердить космологическую природу феномена.

В 2004 году была запущена орбитальная гамма-обсерватория Swift, с помощью которой стало возможно быстрое отождествление событий гамма-диапазона с рентгеновскими и оптическими источниками излучения. В настоящее время на орбите работают еще несколько аппаратов, в том числе космический гамма-телескоп им. Ферми.

Классификация

В настоящее время на основе наблюдаемых особенностей выделяют два типа гамма-всплесков:

• Длинные, характеризующиеся продолжительностью от 2 секунд. Таких вспышек насчитывается около 70 %. Средняя длительность их – 20–30 секунд, а максимальная зарегистрированная продолжительность вспышки GRB 130427A составила более 2 часов. Есть точка зрения, согласно которой настолько долгие события (их сейчас насчитывается три) следует выделить в особый тип ультрадлинных всплесков.
• Короткие. Они развиваются и затухают в узких временных рамках – менее 2 секунд, в среднем же продолжаются около 0,3 секунд. Рекордсменом пока является вспышка, продолжавшаяся всего 11 миллисекунд.

Далее мы рассмотрим наиболее вероятные причины гамма-всплесков двух основных типов.

Эхо гиперновых

По мнению большинства астрофизиков, длинные всплески являются результатом коллапса чрезвычайно массивных звезд. Существует теоретическая модель, описывающая быстровращающуюся звезду с массой более 30 солнечных масс, которая в конце своей жизни порождает черную дыру. Аккреционный диск у такого объекта – коллапсара – возникает за счет стремительно падающего на черную дыру вещества звездной оболочки. Черная дыра поглощает ее за несколько секунд.

В результате формируются мощные полярные ультрарелятивистские газовые струи – джеты. Скорость истечения вещества в джетах близка к скорости света, температуры, и магнитные поля в этой области огромны. Такая струя способна генерировать поток гамма-излучения. Явление получило название гиперновой, по аналогии с термином «сверхновая».

Многие из длинных всплесков гамма-излучения достаточно надежно отождествлены с имеющими необычный спектр сверхновыми в далеких галактиках. Их наблюдение в радиодиапазоне указало на возможное существование ультрарелятивистских струй.

Столкновения нейтронных звезд

Согласно модели, возникновение коротких всплесков происходит при слиянии массивных нейтронных звезд или пары нейтронная звезда – черная дыра. Такое событие получило специальное название – «килоновая», поскольку излучаемая в этом процессе энергия может на три порядка превосходить энерговыделение новых звезд.

Пара сверхмассивных компонентов сначала образует двойную систему, излучающую гравитационные волны. Вследствие этого система теряет энергию, и компоненты ее стремительно падают друг на друга по спиральным траекториям. Слияние их порождает быстровращающийся объект, обладающий сильнейшим магнитным полем особой конфигурации, благодаря которой опять-таки формируются ультрарелятивистские джеты.

Моделирование показывает, что в итоге образуется черная дыра с аккреционным плазменным тороидом, выпадающим на черную дыру за 0,3 секунды. Столько же времени длится существование ультрарелятивистских струй, порожденных аккрецией. Наблюдательные данные в целом согласуются с этой моделью.

В августе 2017 года гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали слияние нейтронных звезд в галактике, удаленной на 130 млн световых лет. Численные параметры килоновой оказались не совсем такими, как предсказывает моделирование. Но гравитационно-волновое событие сопровождалось коротким всплеском в диапазоне гамма-лучей, а также эффектами в диапазонах волн от рентгеновского до инфракрасного.

Странная вспышка

14 июня 2006 года гамма-обсерватория Swift зарегистрировала необычное событие в не слишком массивной галактике, расположенной на расстоянии 1,6 млрд световых лет. Характеристики его не соответствовали параметрам как длинных, так и коротких вспышек. Гамма-всплеск GRB 060614 имел два импульса: сначала жесткий импульс длительностью менее 5 секунд, а затем – 100-секундный «хвост» из более мягких гамма-квантов. Признаков сверхновой в галактике обнаружить не удалось.

Не так давно аналогичные события уже наблюдались, но они были приблизительно в 8 раз слабее. Так что этот гибридный всплеск пока не укладывается в рамки теоретической модели.

Гипотез по поводу происхождения аномального гамма-всплеска GRB 060614 возникло несколько. Во-первых, можно предположить, что он действительно длинный, а странные особенности обусловлены какими-либо специфическими обстоятельствами. Во-вторых, вспышка была короткой, а «хвост» события почему-либо приобрел большую протяженность. В-третьих, можно допустить, что астрофизики столкнулись с новым типом всплесков.

Есть и совсем экзотическая гипотеза: на примере GRB 060614 ученые столкнулись с так называемой «белой дырой». Это гипотетическая область пространства-времени, обладающая горизонтом событий, но движущаяся по оси времени противоположно нормальной черной дыре. В принципе уравнения общей теории относительности предсказывают существование белых дыр, однако никаких предпосылок их отождествления и никаких теоретических представлений о механизмах формирования подобных объектов нет. Скорее всего, романтическую гипотезу придется отставить и сосредоточиться на пересчете моделей.

Потенциальная опасность

Гамма-всплески во Вселенной распространены повсеместно и происходят достаточно часто. Возникает закономерный вопрос: представляют ли они опасность для Земли?

Теоретически рассчитаны последствия для биосферы, которые может вызвать интенсивное гамма-облучение. Так, при энерговыделении 10⁵² эрг (что соответствует 10³⁹ МДж или около 3,3∙10³⁸ кВт∙ч) и расстоянии 10 световых лет эффект от всплеска был бы катастрофическим. Подсчитано, что на каждом квадратном сантиметре поверхности Земли в том полушарии, которое имело бы несчастье попасть под гамма-поток, выделится 10¹³ эрг, или 1 МДж, или 0,3 кВт∙ч энергии. Другому полушарию тоже не поздоровится – все живое там погибнет, но чуть позже, вследствие вторичных эффектов.

Однако вряд ли нам угрожает такой кошмар: вблизи Солнца просто нет звезд, способных обеспечить столь чудовищное энерговыделение. Судьба стать черной дырой или нейтронной звездой близким к нам звездам также не грозит.

Конечно, гамма-всплеск представлял бы серьезную угрозу биосфере и на значительно большем расстоянии, однако следует учитывать, что его излучение распространяется не изотропно, а достаточно узким потоком, и вероятность попасть в него у Земли намного меньше, чем вообще его не заметить.

Перспективы изучения

Космические гамма-всплески – это одна из крупнейших астрономических загадок на протяжении уже почти полувека. Сейчас уровень знаний о них намного продвинулся вперед благодаря бурному развитию средств наблюдения (включая космические), обработки данных и моделирования.

Например, не так давно сделан важный шаг в прояснении происхождения феномена всплесков. При анализе данных спутника «Ферми» было установлено, что гамма-излучение генерируется при столкновениях протонов ультрарелятивистских джетов с протонами межзвездного газа, и уточнены детали этого процесса.

Предполагается использовать послесвечение далеких событий для более точных измерений распределения межгалактического газа вплоть до расстояний, определяемых красным смещением Z=10.

Вместе с тем многое в природе всплесков еще остается неизвестным, и нам следует ждать появления новых интересных фактов и дальнейшего прогресса в области изучения этих объектов.