Заглянуть в глубины Вселенной невооруженным глазом
19 марта этого года ровно в 9 часов 12 минут по московскому времени в небе на минуту вспыхнула новая звезда. Над Россией в это время уже встало солнце, но вот жители западного полушария Земли могли разглядеть под правой звездочкой «парашютного купола» созвездия Волопаса быстро гаснущий объект, который астрономы назвали GRB080319B.
Российская часть команды TORTORA. Справа налево — Сергей Бондарь (НИИ прецизионного приборостроения), Григорий Бескин (Специальная астрофизическая обсерватория РАН), Сергей Карпов (Специальная астрофизическая обсерватория РАН)
Его свет родился на полпути к краю наблюдаемой Вселенной и летел до нас 7,4 миллиарда лет. Нет сообщений, что кому-нибудь удалось увидеть новую звезду, хотя она была примерно в два раза ярче предела чувствительности невооруженного глаза. А вот два небольших автоматических телескопа — российско-итальянский TORTORA и польский Pi of the Sky — первыми обнаружили и исследовали ее. Они предназначены для поиска оптических компаньонов так называемых гамма-всплесков — вспышек жесткого излучения, которые фиксируют орбитальные телескопы, работающие в гамма-диапазоне электромагнитных волн. Результаты наблюдений GRB080319B российско-итальянским и польским инструментами, а также множеством астрономических приборов, регистрировавших излучение всплеска на всех частотах, опубликованы в одном из сентябрьских номеров Nature.
Телескоп ТОRTORA создан учеными Специальной астрофизической обсерватории РАН в сотрудничестве со специалистами Научно-исследовательского института прецизионного приборостроения (НИИ ПП) и итальянскими астрономами из Болонского университета и обсерватории Брера. Он относится к классу мониторинговых инструментов, чье поле зрения составляет сотни квадратных градусов. Такие приборы в течение темного времени суток патрулируют область неба, куда в данный момент смотрит орбитальный гамма-телескоп. Поэтому всякий раз, когда спутник фиксирует гамма-всплеск, есть надежда увидеть оптическую вспышку, его сопровождающую. Впервые эта стратегия принесла результаты 19 марта этого года, после десяти лет разработки оборудования, автоматических методов регистрации данных и собственно наблюдений.
Всего в мире сейчас работает 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 в предгорьях Кавказа. Он также создан астрономами САО РАН в сотрудничестве с НИИ ПП и Институтом космических исследований (ИКИ) РАН. Помимо мониторинговых систем для поиска оптических вспышек используются и так называемые алертные, или реагирующие, инструменты. Их поле зрения меньше (до одного квадратного градуса), зато размеры больше (0,5–2 метра), и все они имеют высокую скорость наведения. Как только орбитальный телескоп фиксирует гамма-всплеск, данные с орбиты рассылаются по обсерваториям всего мира, все телескопы-роботы сами наводятся в нужную область неба. Правда, для этого требуется 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 учеными 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. По координатам Swift’а и Konus/Wind около десятка алертных телескопов по всему миру повернулись в направлении созвездия Волопаса и тщательно зафиксировали, как GRB080319B быстро угасал. Но мониторинговым приборам TORTORA и Pi of the Sky удалось большее: они увидели всю вспышку в развитии — и подъем блеска, и его падение. При этом TORTORA регистрировала ее излучение с высоким временным разрешением — 0,13 секунды (7,5 кадра в секунду) — в отличие от других систем такого типа. Так, Pi of the Sky получает снимок неба лишь за 10 секунд. На самом деле тогда в нужную область неба смотрели и несколько алертных телескопов: получасом ранее всего в 10 градусах от GRB080319B произошла еще одна вспышка, GRB080319A. Тот день вообще выдался на редкость урожайным на гамма-всплески: хотя в среднем , а тут за одни сутки их оказалось пять. Однако поле зрения алертных телескопов недостаточно велико, и только TORTORA и Pi of the Sky вовремя заметили и оптический компаньон второго всплеска, оказавшийся самым ярким за всю историю гамма-астрономии.
Вообще, исследования в оптике до сих пор играли ключевую роль в понимании природы гамма-всплесков. Эти короткие, продолжительностью от долей секунды до нескольких минут небесные явления были открыты еще 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 рассекретили эти данные, но еще 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 ученые убедились, что верно последнее предположение. Гамма-всплески — свидетельства бурных явлений, происходящих в далеких галактиках. Коль скоро мы видим их на Земле, истинная энергия этих процессов грандиозна. В момент вспышки они светят в миллионы раз ярче самых крупных галактик, состоящих из сотен миллиардов звезд, являясь самыми мощными взрывами во Вселенной. Определить истинное расстояние до этих объектов помогло именно обнаружение первых оптических послесвечений гамма-всплесков наземными телескопами.
Отметим, что послесвечения, в отличие от вспышек, сопровождающих всплески, наблюдаются по завершении последних. Очень скоро в их спектрах нашли линии, оставленные газом далеких галактик, через которые прошел свет от гамма-всплеска. Именно по этим линиям и удалось определить расстояния. Считается, что гамма-всплеск расположен в самой далекой из галактик, оставивших след в его спектре (через все остальные свет прошел по пути к нам). Тогда же на очень глубоких изображениях неба были обнаружены и сами галактики, где происходят эти космические катаклизмы. Выяснив с помощью оптических наблюдений, какова энергетика объектов, ученые 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 (короткие состоят из более энергичных фотонов).
По современным представлениям, те и другие связаны с образованием черных дыр. Только образуются они по разным причинам. Первые — при слиянии двух остатков эволюции звезд, нейтронных звезд и белых карликов, вторые — при взрыве сверхновой, гибели очень массивной звезды с образованием черной дыры. Когда стало ясно, какова истинная светимость гамма-всплеска, перед учеными встал, казалось, неразрешимый парадокс. Выделение столь большой энергии за очень короткое время приводит к такой плотности излучения, что оно неизбежно должно порождать электрон-позитронные пары, на которых само же будет рассеиваться и ослабевать. В результате таких ярких объектов мы видеть не должны. Но видим. Ответ был найден, когда астрофизики поняли, что наблюдающееся явление — сильно, в тысячи и миллионы раз сжатая во времени картина реальных событий: результат эффектов специальной теории относительности Эйнштейна.
Мимо Земли такая 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 уменьшить продолжительность вспышки в тысячи и миллионы раз, вещество должно двигаться с очень большими скоростями — 99,95% и 99,99995% от скорости света. Впрочем, с такой скоростью, по-видимому, расширяется не вся оболочка, сброшенная при взрыве.
Большая часть вещества при длинном гамма-всплеске улетает с относительно небольшими скоростями в десятки тысяч километров в секунду — как и при взрыве обычной сверхновой. По-настоящему околосветовыми скоростями обладает лишь пара струй (так называемых джетов), разлетающихся в противоположных направлениях. Ученые уверены, что вещество, падающее на только что сформировавшуюся и быстро вращающуюся черную дыру, образует плотный диск, оседающий на нее. При этом довольно большое количество газа исчезнувшей звезды и формирует струи. Как конкретно это происходит, пока неясно. Понятно лишь, что при разгоне до таких высоких скоростей не обходится без крайне экзотических процессов. 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 удаленных 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. Все это представляет громадный интерес для астрономии. Правда, прежде чем так 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. Именно в этом случае мощность гамма-всплесков согласуется с оценками энергии, выделяющейся при взрывах сверхновых.
В любом случае существующие представления о физике гамма-всплесков являются очень приблизительными. Сейчас мы лишь начинаем понимать, как устроены самые мощные взрывы во Вселенной. По-видимому, принципиально новую информацию могут принести исследования сопровождающих гамма-всплески оптических вспышек. В частности, с большим трудом согласуется с современными моделями быстрая переменность оптического излучения GRB080318B, обнаруженная телескопом TORTORA.
Оптическая вспышка началась и закончилась практически одновременно с всплеском в гамма-лучах (слабое оптическое послесвечение продолжалось и позже, но у него другая природа — выделение энергии при столкновении струи с окружающим веществом).
В то же время излучение в двух диапазонах менялось по-разному. В гамма-диапазоне всплеск не отличался от сотен своих собратьев — это сильно изрезанная отдельными импульсами кривая блеска с неожиданными взлетами и вертикальными падениями почти до нуля. Тем временем интенсивность оптического излучения, не меняясь подобным образом, тем не менее колебалась всего в полтора-два раза на масштабах в несколько секунд. Это самая быстрая оптическая переменность, когда-либо зафиксированная у объектов на космологических расстояниях. Притом 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. Еще 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 близкие по временным масштабам, но совершенно не совпадающие друг с другом колебания бросают вызов теоретикам.
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 увидеть в оптическом диапазоне непосредственно в фазе подъема блеска, да к тому же обнаружить его быструю переменность (напомним, что список собственно гамма-всплесков насчитывает около трех тысяч событий!). И хотя такие яркие оптические вспышки, как GRB080319B, должны, по-видимому, случаться лишь раз в несколько лет, нет сомнений, что TORTORA и подобные ей инструменты в ближайшие годы откроют еще 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 информацию об изменениях блеска этих скоротечных событий, но и их спектры, а также данные о поляризации. Все это – с сохранением высокого временного разрешения.
В частности, в САО РАН конструируется целая батарея из 75–80 небольших объективов (диаметром 70 мм) с полем зрения около 5 градусов. Вместе они смогут патрулировать участок неба площадью около двух тысяч квадратных градусов и обнаруживать объекты в десять раз более слабые, чем сейчас доступны TORTOR’е и FAVOR’у. А вот после регистрации вспышки за доли секунды все объективы смогут концентрироваться на ней и изучать ее цвет и поляризацию с чувствительностью в два-три раза более высокой.
Будем надеяться на новые неожиданные результаты.
Григорий Бескин, Артем Тунцов,
кандидаты физико-математических наук
