Следы космических катастроф: вечная память

      Комментарии к записи Следы космических катастроф: вечная память отключены

Следы космических катастроф: вечная память

На космическую трагедию Мироздание уделило с космической точки зрения очень мало времени. Сгустившееся газо-пылевое облако дало начало скоро вращающейся тёплой звезде, массы которой хватило бы на сорок отечественных Солнц. За пара миллионов лет она израсходовала целый начала и водород ускоренно жечь все более и более тяжелые элементы. Термоядерным топкам хватило гелия на полмиллиона лет, углерода — на пара сотен, неона — всего на год, серы и кремния — на десятки часов.

В то время, когда последние резервы термоядерного горючего были исчерпаны, звезда получила металлическое ядро. Дальше счет отправился на доли секунд, за каковые ядро звезды сжалось и взорвалось. Наружные слои разлетелись, а недра претерпели гравитационный коллапс, завершившийся формированием черной дыры.

Но звезда не просто исчезла. В экваториальной плоскости погибшего светила появился диск из сверхплотной (10 млн. кг/см3) и сверхраскаленной (10 млрд. градусов) плазмы, поворачивающийся со скоростью порядка 1000 об./c. Вещество диска втягивалось по спиралям вовнутрь черной дыры и порождало позитроны и электроны, скорость которых приближалась к световой.

Эти частицы имели возможность выскользнуть из гравитационных объятий дыры, только двигаясь на протяжении ее оси вращения, так когда приполярные области были фактически свободны от плазменного покрова. Только что появившаяся дыра выстрелила в противоположных направлениях двумя громадными струями — джетами.

Пробегающие по джетам ударные волны породили огромные магнитные поля, где ультрарелятивистские электроны, позитроны и присоеденившиеся к ним протоны закручивались по спиралям, излучая замечательнейшие гамма-импульсы, уходящие на протяжении данной же осевой линии. Процесс занял считанные секунды, но успел высвободить в сто раза больше энергии, нежели отечественному Солнцу суждено высветить за всю жизнь.

По мере охлаждения джеты генерировали все более длинноволновые фотоны (сперва рентгеновские, после этого ультрафиолетовые, а по окончании и оптические). Ужасный поток гамма-фотонов спешил через Вселенную, неспешно расширяясь в пространстве. Через миллиарды лет горсточка этих квантов встретилась с третьей планетой Нашей системы

Ранние шаги

Еще полвека назад наблюдение гамма-лучей было уделом только физиков. К счастью для всех читателей данной статьи, нижние слои атмосферы Почвы задерживают страшное для жизни электромагнитное излучение с длиной волны менее 200 нм. К нему относятся твёрдая часть ультрафиолета, рентген и гамма-лучи (с длиной волны менее 0,1 нм, что соответствует энергии квантов больше 10 кэВ).

Исходя из этого аппаратуру для изучения внеземного гамма-излучения нужно размещать как возможно выше — или на высотных аэростатах (как раз так во второй половине 50-ых годов двадцатого века было найдено солнечное гамма-излучение), или в космическом пространстве.

Уже в докосмическую эру астрофизики не сомневались в том, что Вселенная пронизана гамма-квантами. Теория утверждала, что они появляются и при взрывах сверхновых, и при сотрудничестве космических лучей с межвездным газом, и при закрутке стремительных электронов в космических магнитных полях. В 1940-е годы над объяснением этих процессов много потрудились доктор наук университета Вашингтона Юджин Финберг и его соавтор и коллега Генри Примаков, внучатый племянник и уроженец Одессы прославленного полководца Гражданской войны Виталия Примакова.

Первый гамма-телескоп был послан в космос в первой половине 60-ых годов XX века на борту американского спутника Explorer-11. Он был очень несложен — панель и коллиматор сцинциляционных счетчиков (кристаллов либо пластиков, генерирующих под действием гамма-излучения видимый свет, что улучшается фотоумножителем). Телескоп разочаровал ученых: в течение пяти месяцев он не смог зарегистрировать и много гамма-квантов.

Но было найдено, что эти высокоэнергетичные фотоны с равной возможностью приходят с любого азимута и исходя из этого вряд ли появляются в отечественной Галактики с ее плоскостной структурой. Астрофизики в то время приписали их происхождение соударениям между быстрыми частицами и космическим газом. Скоро удалось найти и гамма-излучение отечественной Галактики — это сделала стартовавшая во второй половине 60-ых годов XX века американская космическая обсерватория OSO-3.

Европейский спутник COS-B (1975−1982 годы) помог составить первую гамма-лучевую карту Млечного Пути.

Но все это были изучения, увлекательные только узким экспертам. Но в начале Июня 1973 года мир определил о воистину необычном открытии в области гамма-астрономии. Эта информация вышла на публику при очень анекдотичных событиях и с опозданием на пара лет.

Разведка не спит

Во второй половине 50-ых годов двадцатого века руководство американских ВВС сделала вывод, что отечественный спутник представляет собой эргономичный ядерный полигон. Армейские планировали кроме того совершить на Луне ядерный взрыв (об этом стало известно шесть лет назад). Дальше замыслов дело не пошло, но в Вашингтоне задумались, как найти советские ядерные опробования на обратной стороне Луны, в случае если эти злокозненные «комми» (от слова «коммунисты») попытаются их совершить.

Физик-оружейник из Лос-Аламоса Стерлинг Колгейт (из семьи, известной каждому зубовладельцу) советовал воспользоваться для данной цели спутниками с детекторами гамма-излучения, которое сопутствует ядерному взрыву. Проект утвердили и назвали Vela (от испанского глагола velar — дежурить, отслеживать).

Аппараты семейства Vela уходили на орбиту парами (первая — в первой половине 60-ых годов двадцатого века) и имели на борту устройства для детектирования рентгеновского и гамма-излучения, и нейтронов. Сначала они не отличались чувствительностью, но запущенные в апреле 1967 года 350-кг Vela-4 были оснащены в полной мере приличными гамма-сенсорами с временным разрешением порядка 1/8 секунды. Им-то и суждено было войти в историю астрофизики.

Сигналы со спутников выдавались в виде распечаток, но разбирали их вручную — автоматической обработки аналогичных данных в то время не было. Этим занималась маленькая группа из Лос-Аламоса, которая просто не успевала трудиться в настоящем времени. Так и оказалось, что на эти за середину лета 1967 года в первый раз посмотрели только в марте 1969-го. Как раз тогда Рэй Клибсадел и Рой Олсон нашли на распечатках от 2 июля два импульса космического гамма-излучения.

Первый был весьма маленьким, второй же растянулся на две с лишним секунды.

Ученые были изрядно озадачены. Было ясно, что к ядерному взрыву эти импульсы никакого отношения не имели. 2 июля 1967 года не наблюдалось ни вспышки сверхновой, ни извержения на Солнце, которое также может дать о себе знать потоком гамма-квантов. Иных объяснений не пребывало, и первооткрыватели таинственного явления решили подождать.

Уже готовься к запуску Vela-5, а через год за ними последовали близнецы Vela-6 с улучшенным оборудованием, талантливые прояснить обстановку. И вправду, к лету 1973 года устройства зарегистрировали 16 гамма-вспышек, источники которых, "Наверное," распределялись по небесной сфере случайным образом. Было разумеется, что «производители» гамма-лучей очень далеки от Почвы и что в момент происхождения эти импульсы владели огромной энергией.

В открытии сомневаться не приходилось. 1 июня 1973 года Клибсадел, Олсон и Стронг в первый раз сказали о нем в заметке в Astrophysical Journal Letters. Через пара дней Клибсадел выступил с докладом на сессии Американского астрономического общества. Среди слушателей затесался репортер, спросивший, возможно ли растолковать вспышки битвами внеземных цивилизаций. Клибсадел ответил, что земные ядерные взрывы имеют иные гамма-подписи, но отрицать возможность галактических сражений он не берется.

Журналисту хватило этого невинного замечания для статьи о звездных войнах в таблоиде National Enquirer. В следствии и астрологи, и широкая публика определили о гамма-вспышках практически в один момент.

Штурм гамма-диапазона

Эксперты увлеклись новым явлением действительно и на долгое время. Таинственные вспышки назвали гамма-барстерами (от англ. burst — взрыв). Интерес к ним подхлестнуло открытие в 1975—1976 годах подобных всплесков рентгеновского излучения, зафиксированных и аппаратами Vela, и голландским астроспутником ANS.

Любопытно, что первые детекторы, запрограммированные для поиска гамма-барстеров, были установлены не на американских, а на европейских платформах — германской околосолнечной космической обсерватории Helios-2 (1976) и советском спутнике «Прогноз-6» (1977). В 1978-м такие устройства отправились в околоземное пространство на «Прогнозе-7», а в дальний космос — на борту советских станций «Венера-11» и «Венера-12» и американского Pioneer Venus Orbiter. Наконец, гамма-детекторы несли кое-какие спутники серии «Космос» и запущенные в первой половине 80-ых годов XX века «Венера-13» и «Венера-14».

Однако сведения о гамма-барстерах накапливались медлительно. Дело шло бы стремительнее, если бы NASA вовремя реализовало программу запуска большой гамма-обсерватории, составленную еще во второй половине 70-ых годов XX века. C опозданием на шесть лет она была выведена на околоземную орбиту шаттлом «Атлантис» 5 апреля 1991 года.

Ей присвоили имя лауреата Нобелевской премии Артура Комптона, одного из основоположников физики высоких энергий. 17-тонная станция CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) проработала больше девяти лет. Но по окончании отказа в декабре 1999 года одного из трех гироскопов начальники NASA, несмотря на протесты астрофизиков, постановили снять станцию с орбиты и затопить в пустынной части Тихого океана.

«Комптон» сыграл ключевую роль в истории космической гамма-астрономии. Его аппаратура давала возможность регистрировать фотоны с энергиями от 30 кэВ до 30 ГэВ, тогда как самый большой из «докомптоновских» гамма-телескопов, установленный на советско-французской орбитальной обсерватории «Гамма» (1990−1992), действовал в диапазоне 50 МэВ — 6 ГэВ. «Комптон» зарегистрировал 2704 гамма-вспышки, больше, чем любой из его предшественников.

Наблюдения «Комптона» подтвердили, что космические гамма-всплески с равной возможностью приходят с любого направления, и продемонстрировали, что гамма-барстеры подразделяются на два класса: «маленькие», со средней длительностью около 300 миллисекунд, и «долгие», с обычной протяженностью от 2 до 20 секунд (а также до мин.). Средняя энергия фотонов маленьких всплесков существенно превышает энергию «длинновспышечных» гамма-квантов.

Но возможности «Комптона» имели собственные пределы. Кроме того его прекрасная аппаратура имела возможность выяснить размещение вспышек на небесной сфере с точностью от 1 до 10 градусов. Координаты большинства гамма-барстеров, наблюдавшихся к концу прошлого века, были распознаны как раз с данной погрешностью; еще около сотни вспышек удалось привязать к карте звездного неба с неточностью от 0,5 градуса до 3 угловых мин..

Как раз исходя из этого астрологам никак не получалось отождествить гамма-всплески с оптическими источниками, расстояние до которых возможно было бы выяснить по смещению спектральных линий.

Делу науки снова помог случай. 30 апреля 1996 года с мыса Канаверал ушел в космос на шестилетнюю работу итальянско-голландский спутник BeppoSAX. Первая часть заглавия — имя пионера астрофизики высоких энергий Джузеппе (для друзей Беппо) Оккиалини, а вторая — сокращение Satellite per Astronomia i Raggi X (спутник для рентгеновской астрономии). Кроме другого оборудования он был оснащен монитором гамма-барстеров, вычисленным на диапазон 60−600 кэВ.

Оборудование спутника продолжительно барахлило, исходя из этого он реально получил только в ноябре. Но упрочнения по отладке аппаратуры не пропали бесплатно. В феврале и мае 1997 года спутник отправил на Землю информацию о двух гамма-барстерах и выяснил их координаты с точностью до 1 угловой 60 секунд. Астрологи шепетильно просмотрели эти участки неба в простые телескопы и нашли в том месте практически неразличимые оптические источники.

В первом случае свечение выяснилось чересчур не сильный для спектрального анализа, но во втором спектре были видны линии поглощения, очень сильно перемещённые в красную сторону. Величина смещения была равна 0,835, и это означало, что расстояние до источника образовывает порядка 6 миллиардов световых лет.

Полученные результаты сразу же вывели дискуссию о природе гамма-всплесков на новый уровень. Коль не так долго осталось ждать они смогут преодолевать такие ужасные расстояния, их полная светимость (количество выделившейся энергии) должна быть равна не меньше 1051−1052 эрг, а быть может, кроме того 1054 эрг. Эта величина соответствует энергии, которая выделилась бы при полной аннигиляции всей массы отечественного Солнца!

Какие конкретно физические механизмы способны обеспечить генерацию столь фантастических потоков энергии за какие-то секунды?

Природа гамма-вспышки

Не смотря на то, что гамма-всплески до сих пор являются предметом споров, предварительный консенсус все же достигнут. На данный момент никто не сомневается, что барстеры различной протяженности обусловлены разными обстоятельствами.

С описания самая правдоподобной картины генерации долгих вспышек начинается эта статья: выброс материи на финальном этапе гравитационного коллапса скоро вращающейся сверхмассивной звезды, что завершается рождением черной дыры (звёзды, взрывающиеся по такому сценарию, именуют не сверхновыми, а гиперновыми). Сперва появляются секундные либо, в максимуме, минутные гамма-импульсы, а за ними следуют растягивающиеся на сутки и часы рентгеновские и световые хвосты, так именуемое послесвечение.

Маленькие гамма-всплески изучены хуже. Еще сравнительно не так давно полагали, что они не сопровождаются послесвечением, но в мае прошлого года орбитальная обсерватория Swift нашла у одного из таких барстеров рентгеновское продолжение. За неимением лучшего уверены в том, что маленькие вспышки, по всей видимости, появляются в ходе слияния нейтронных звезд, вращавшихся около неспециализированного центра тяжести и неспешно сближавшихся из-за утраты энергии на излучение гравитационных волн.

Но существуют и другие догадки: втягивание нейтронной звезды в близлежащую черную дыру либо же столкновение пары черных дыр. Как в таких катаклизмах появляется гамма-излучение, пока не знает никто. В частности, не светло, из-за чего кое-какие маленькие гамма-всплески отправляют лучи по всем направлениям, а другие — только в узких конусов.

Космический стриж

Первая пространственная локация источников гамма-всплесков стала вероятной благодаря объединению упрочнений спутника BeppoSAX и наземных телескопов. Затем стала очевидной потребность в космических платформах, талантливых машинально отслеживать барстеры как по первичным рентгеновским импульсам, так и по послесвечению.

Эту задачу призвана решить интернациональная (США, Италия и Великобритания) обсерватория Swift, запущенная 20 ноября 2004 года на круговую 600-километровую околоземную орбиту. «Отечественный спутник оснащен детектором гамма-квантов с энергиями 15−150 кэВ, и двумя телескопами, рентгеновским и оптическим, что захватывает и ближний ультрафиолет. Данный триплет обрабатывает данные очень оперативно, практически за считанные секунды.

Не менее важно, что спутник передает сведения на Землю фактически без отлагательств, практически в настоящем времени. За быстроту реакции он взял собственный имя Swift — «Стриж». Он устанавливает положение вспышек на небесной сфере с непревзойденной точностью: 3−5 угловых секунд в рентгеновском диапазоне и до 0,3 секунды в оптическом. Swift кроме этого осуществляет спектральный анализ послесвечения и определяет величину красного смещения оптических линий.

Первоначально предполагали, что он сможет трудиться два года, но мы, члены его команды, сначала не сомневались, что он будет здравствовать многократно продолжительнее. Все совокупности функционируют безупречно, горючего для двигателей ориентации также хватает, так что вероятнее он проживет не меньше десяти лет.

на данный момент ему гарантировано финансирование до конца 2010 года, и мы сохраняем надежду, что и позже его не срежут, — поведал «Популярной механике» научный руководитель обсерватории Нил Герелс. — Swift уже собрал полезнейшую данные о гамма-барстерах. К примеру, в сентябре 2005 года он нашёл трехминутный всплеск, пришедший с рекордно отдаленной дистанции — примерно 12,8 миллиардов световых лет.

18 февраля этого года Swift зарегистрировал сверхдлинную гамма-вспышку получасовой протяженности, которая сопровождалась очень необыкновенным послесвечением. Не смотря на то, что, само собой разумеется, гамма-астрономия интересуется не только барстерами. Мониторинг в гамма-диапазоне приносит сведения об активных галактических ядрах, скрывающих сверхмассивные черные дыры, и разрешает отслеживать ядерные реакции, сопутствующие взрывам сверхновых.

Этим занимается европейская орбитальная гамма-обсерватория INTEGRAL, International Gamma Ray Astrophysical Laboratory, запущенная в 2002 году с Байконура на русском ‘Протоне’. Но изучение гамма-всплесков — все-таки самая увлекательная часть отечественной науки». В недалеком будущем у гамма-астрономии покажется новая орбитальная платформа — телескоп GLAST, Gamma Ray Large Area Telescope.

Он будет проводить наблюдения в гамма-лучах высоких энергий, от 20 МэВ до 300 ГэВ. Это излучение поглощается в космосе достаточно слабо, и потому GLAST сможет вести поиск гамма-источников, каковые находятся на самой границе отечественной Вселенной. Кроме гамма-телескопа спутник оснастят монитором гамма-вспышек, не смотря на то, что он будет выполнять запасного роль.

Запуск данной обсерватории запланирован на август будущего года.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№46, август 2006).

Пугающие космические катастрофы будущего — Топ 7 — Космические угрозы для Земли — Опасности космоса


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: