Гамма-всплески – вызов астрофизикам
Совершенно случайно при неастрономических наблюдениях были замечены вспышки гамма-излучения, свидетельствующие о кратковременных процессах с огромным энерговыделением. Проверки показали, что они не земного, а космического происхождения.
Гамма-всплески (ГВ) вспыхивают неожиданно, равновероятно в любом направлении, длятся от миллисекунд до сотен секунд, изменения яркости со временем очень разнообразны, их спектры получить очень трудно, при этом на них почти нет линий. Астрономы испытывали большие трудности в определении координат для отождествления всплесков с другими наблюдаемыми объектами. Расстояние до них не известно, поэтому не известна их истинная энергия излучения и, главное, их природа.
И все же за 40 лет исканий астрофизикам всего мира с помощью современных наземных и космических обсерваторий удалось многое узнать, особенно в последнее время.
Особый интерес для нас представляют исследования, в которых принимают активное участие астрофизики нашей страны.
В наблюдениях ГВ, обозначенного GRB 160625B, участвовали многие обсерватории по всему миру, в том числе и российские.
Автоматизированная система оптического мониторинга неба Казанского университета ММТ (Мини-МегаТОРТОРА) смогла пронаблюдать в реальном времени образование черной дыры при взрыве сверхновой в чужой галактике.
Уже через 52 секунды после подачи сигнала с космической обсерватории Ферми широкоугольный оптический телескоп обсерватории Казанского университета был направлен по предварительным координатам. Обладая временным разрешением всего в 0,1 секунды, он смог сделать 20 снимков гамма-вспышки и ее послесвечения в оптическом диапазоне. Подобные наблюдения – большая редкость.
На месте наблюдаемого гамма-всплеска на Южной Европейской обсерватории был получен спектр слабой галактики, что позволило определить до нее расстояние…в 9 000 000 000 световых лет. Чтобы с такого расстояния дошел до наших телескопов сигнал наблюдаемой мощности, за 1 секунду должно было выделяться в 10 000 000 раз больше энергии, чем Солнце выделяет за все время своего существования.
Свет от вспышки распространялся во все стороны в течение девяти миллиардов лет, и один из лучиков попал на Землю. Взрыв гигантской сверхновой в чужой галактике произошел на 5 000 000 000 лет раньше образования Солнечной системы!
Гамма-всплеск GRB 130925А также был объектом исследования ученых всего мира. Интересные результаты были получены в Научно-исследовательском институте ядерной физики Московского университета (НИИЯФ МГУ). Взорвавшаяся сверхновая также находится на расстоянии миллиардов световых лет. Всплеск гамма-излучения длился гораздо дольше обычного, сопровождался долгим послесвечением в рентгене и в оптическом диапазоне и поэтому отнесен к классу ультрадолгих.
Логична и интересна интерпретация этих наблюдений. Очень ранняя Вселенная состояла в основном из водорода, гелия и дейтерия. Из-за большого количества «строительного вещества» образовывались звезды большой массы. Чем больше масса звезды и больше давление в ее ядре, тем быстрее в ней протекают ядерные реакции, поэтому такая звезда быстро доходит до состояния сверхновой и взрывается. Наблюдаемый всплеск принадлежит взрыву тогда еще молодого, голубого горячего сверхгиганта с массой в 20 масс Солнца.
Спектральные оптические наблюдения подтвердили очень малое содержание тяжелых элементов, что свидетельствует о том, что исследуемая звезда принадлежит к более раннему поколению, чем звезды, в недрах которых образуются тяжелые элементы. Определение расстояния по смещению линий в спектре дало возможность оценить энергию ГВ.
При взрыве сверхновой в ядре образуется сверхплотный объект, возможно, черная дыра, и по оси вращения выбрасываются мощные потоки плазмы - джеты. В результате торможения релятивистских зарядов, содержащихся в джетах, мощным магнитным полем сверхновой возникает синхротронное излучение. Этим объясняется послесвечение всплесков в рентгене и в более длинноволновых диапазонах.
Остальное вещество разлетается во все стороны со скоростями в тысячи километров в секунду и вызывает волны и уплотнения окружающей среды, способствуя образованию звезд следующих поколений.
Объяснилась и изотропия гамма-всплесков, то есть равномерное распределение по небесной сфере (см. рисунок). Ведь во всех направлениях от нас наблюдается прошлое, и чем дальше, тем более раннее, а такие сверхмощные сверхновые в то время вспыхивали во всей Вселенной.
«Природа гамма-всплесков все еще остается слабоизученной, в то же время являясь очень важным фактором для понимания фундаментальных процессов во Вселенной. Подобные эксперименты должны приблизить нас к их пониманию».
В августе 2017 года планируется запустить космическую обсерваторию «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр-РГ», СРГ, Spektr-RG) — проект совместной российско-германской орбитальной обсерватории для проведения обзора всего неба с рекордной чувствительностью. Ожидается, что в ходе обзора неба «Спектр-РГ» обнаружит все скопления галактик в наблюдаемой части Вселенной (около 100 000), около 3 миллионов аккрецирующих сверхмассивных черных дыр, сотни тысяч звезд с активными коронами и аккрецирующих белых карликов, десятки тысяч звездообразующих галактик и многие другие объекты, в том числе неизвестной природы. Эти данные исключительно важны для понимания того, как распределена материя во Вселенной, какую роль в её истории играла темная энергия и как в ней появлялись и росли сверхмассивные чёрные дыры.
В рамках проекта «Спектр-РГ» российские ученые получат 50 процентов данных телескопа eROSITA и все данные телескопа AРТ-ХС.