Гамма-всплеск

На рубеже 1960—1970-х годов люди еще редко задумывались о космических катаклизмах. Тогда их значительно больше интересовали дела земные. Казалось, что человечество уже накопило чудовищно много ядерного оружия. В ходу была страшилка про накопленный ядерный потенциал, которого хватит, чтобы шесть раз разрушить Землю.

Именно тогда США запустили серию из нескольких автоматических космических аппаратов «Вела», спутников-шпионов для отслеживания испытаний ядерного оружия в воздухе, категорически запрещенных международными договорами. Делалось это с помощью установленных на борту датчиков гамма-излучения, потоки которого должны были возникать при испытаниях.

Первые же данные со спутников превзошли все ожидания натовских генералов: гамма-всплески фиксировались один за другим с периодичностью примерно раз в месяц. За несколько лет накопились данные о 70 случаях. Однако на смену радости быстро пришло недоумение: это же насколько мощным должен быть Советский Союз (а больше этим из потенциальных врагов США заниматься было некому), чтобы выдерживать столь напряженный график очень дорогостоящих испытаний. И окружать их такой непроницаемой завесой секретности!

Находившиеся на «Велах» приборы не могли даже приблизительно определить источник всплеска. Они только фиксировали то, что он где-то произошел, а где — на Земле, на Луне или в какой-либо другой точке космического пространства, это аппаратура показать не могла.

Только в начале 1970-х годов, сравнивая данные, полученные от разных спутников (вернее, сравнивая запаздывание, с которым разными спутниками регистрировались одни и те же всплески), удалось точно установить: практически все всплески имели космическое происхождение.

Американские генералы, еще недавно потиравшие руки в предвкушении международного скандала, вяло признали, что миллионы долларов, отпущенных на программу «Вела», были выпущены в трубу, поскольку обнаруженные гамма-всплески — всего-то некое неизвестное космическое явление, не представляющее для военных никакого интереса. Данные о гамма-вспышках были практически сразу рассекречены. И уже в 1973 году американский ученый Рэй Клебесадел, как раз и разработавший те самые датчики, что стояли на «Велах», опубликовал первую работу, в которой поведал миру о гамма-всплесках. Хотя сообщать пока было особо нечего.

После того как ученые научились примерно определять области, из которых происходили вспышки (а длились они от нескольких секунд до нескольких минут), астрономы попытались разглядеть их источники. Однако развернутые в нужную сторону телескопы не находили ровным счетом ничего. Максимум, на что натыкались искатели, — это какая-нибудь удаленная от нас на миллиарды световых лет галактика.

Кстати сказать, такими галактиками наше небо набито больше, чем звездами, — их можно без какого-то великого труда найти в любом сколь угодно малом секторе.

Но если гамма-всплески рождались в недрах этих образований, то это означало, что их мощность просто чудовищно велика. За одну секунду такой источник выбрасывал бы энергии больше, чем выбрасывает целая галактика за годы бесперебойной работы. Если бы подобный всплеск произошел на расстоянии 10 световых лет от нашей планеты, он был бы для нас эквивалентен взрыву 40 миллиардов атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.

В то, что эти всплески настолько мощны, верилось с трудом, поэтому ученые долгое время предполагали: происходят они где-то не так далеко, в пределах нашей Галактики. А поскольку она относительно плоская и представляет из себя дискообразную спираль с шарообразным центром, то и источники гамма-всплесков должны располагаться в основном в плоскости Галактики. Однако наблюдения показали: источники гамма-всплесков располагались на небосклоне совершенно изотропно, равномерно. В любом направлении частота их появления была примерно одинаковой. Частота была весьма высокой: после того как астрофизики НАСА подняли на орбиту автоматическую гамма-обсерваторию имени А. Комптона, на которой был установлен специальный прибор БАТСЕ, предназначенный для фиксации и определения местонахождения гамма-всплесков, такие катаклизмы стали фиксироваться каждые сутки — в день по всплеску. И никаких признаков их особой концентрации в отдельных местах.

Следующим парадоксом, доказывавшим, что всплески происходят в основном за пределами Галактики, было отсутствие слабых всплесков. Суть парадокса заключается в следующем. Если, например, глядя в подзорную трубу, вы видите тысячу звезд, то логично будет предположить, что с помощью трубы, в два раза более мощной, вы можете таких звезд разглядеть в два раза больше. А в телескоп, мощность которого будет равна ста вашим трубам, количество видимых светил будет выше на два порядка.

В случае с гамма-всплесками такой фокус уже не проходит. Увеличение чувствительности гамма-детекторов не дает существенного увеличения количества обнаруживаемых всплесков. Это значит, что мы сидим в самом центре сферы, внутри которой эти гамма-всплески распределены абсолютно однородно и за пределами которой их просто нет.

Самый близкий из зарегистрированных на данный момент всплесков произошел в одной из соседних галактик на расстоянии около 400 миллионов световых лет, самый далекий — на расстоянии 13 миллиардов световых лет; именно на таком (чуть-чуть больше) расстоянии находится граница нашей Вселенной.

Большинство всплесков происходят на так называемых «космологических» расстояниях — свыше 10 миллиардов световых лет. Однако уже доказано, что они происходили и в пределах Млечного Пути.

В июне 2004 года астрономы, наблюдающие за Вселенной через рентгеновский телескоп «Чандра», заявили: туманность, известная нам как W49B, есть не что иное, как следы произошедшего в этом месте многие тысячелетия назад гамма-всплеска; W49B — это всего 35 тысяч световых лет от Земли, другой конец Галактики (ее диаметр — примерно 100 тысяч световых лет).

Астрофизик из Канзасского университета в Лоуренсе Эдриан Мелотт считает, что причиной ордовикской трагедии, когда 443 миллиона лет назад на Земле вымерло 70 % животных, был мощный гамма-всплеск, произошедший где-то в нашем районе Галактики. Он же стал причиной резкого похолодания, случившегося в конце довольно теплой ордовикской эры и перешедшего в длительный ледниковый период. Догадку ученого косвенно подтверждает тот факт, что вымерли именно те животные, которые жили на суше или неглубоко под водой, глубинные же пережили этот катаклизм практически без потерь. Доктора Джон Скейло и Крейг Уилер из Техасского университета в Остине говорят, что гамма-всплески примерно каждые 5 миллионов лет оказывают на земную биосферу весьма значительное влияние, зачищая ее флору и фауну.

27 декабря 2004 года, на следующий день после того, как индонезийское цунами убило сотни тысяч человек, в нашей Галактике была зафиксирована относительно слабая гамма-вспышка. «Полыхнул» объект 80Я1806-20, магнитная нейтронная звезда, называемая астрономами магнетаром.

Это был один из самых слабых видов гамма-всплесков, название которого у астрономов — «софт гамма репитером». Энергия вспышки составила примерно 1048 эрг (примерно столько Солнце вырабатывает за 150 тысяч лет работы). Несмотря на то, что объект находился от нас на прямо противоположном краю Галактики, на расстоянии примерно 50 тысяч световых лет, яркость его на десятую долю секунды превысила яркость Луны. Энергия долетевшего до Земли излучения была такой, что у метеозависимых людей весь день потом раскалывалась голова, а все повернутые в его сторону космические обсерватории на некоторое время просто «ослепли».

Зафиксировать вспышку удалось находившемуся «в земной тени» американскому аппарату «Винд», снабженному российским детектором «Конус», причем детектор засек уже отражение гамма-потока от Луны.

Факт, что взрыв в пределах нашей Галактики был зафиксирован уже через три десятилетия после того, как люди впервые вообще узнали о явлении гамма-всплесков, сделал весьма неубедительным заявление многих ученых, что такие катаклизмы случаются в галактиках раз в миллион лет. Скорее всего, происходят они значительно чаще, но на относительно безопасных, в десятки тысяч световых лет, расстояниях. Но могут произойти и поближе, и помощнее. Тем более что подходящие кандидаты на роль источников таких всплесков у нас имеются.

В 2000 году обсерватория имени Комптона, после того как у нее отказал один из двух последних управляющих гироскопов, была уничтожена. Ученые решили перестраховаться и затопить 17-тонную станцию, не дожидаясь, пока откажет второй гироскоп, после чего началось бы никем не управляемое падение, которое могло завершиться где-нибудь в Чили или в Австралии. Если бы не это, обсерватория летала бы еще как минимум 11 лет.

Сейчас главным охотником за гамма-всплесками является запущенная в 2004 году космическая обсерватория «Свифт» (от англ. swift — «быстрый»). Обнаружив своими датчиками гамма-всплеск, она способна за считанные секунды развернуться и направить все свои телескопы в сторону предполагаемого объекта, чтобы успеть зафиксировать взрыв в различных диапазонах (не только в гамма-, но и в видимом, и рентгеновском). Кроме того, «Свифт» моментально передает координаты всплеска на Землю, и не на какой-то отдельный телескоп, а в интернет, в открытый доступ, чтобы любой земной астроном смог навести свою трубу на нужный участок. За неполные два года своей работы он позволил собрать о гамма-всплесках столько информации, сколько не собрали прежде за четверть века.

Самые мощные из известных на сегодня гамма-всплесков выбрасывали за секунду 1054 эрг энергии только в гамма-лучах (а между тем источники этих всплесков «светят» еще и в рентгеновском, и в радио, и в оптическом диапазонах, испускают огромные количества нейтрино и т. п.). Чтобы представить, что такое 1054 эрг, скажем: такую энергию (причем во всех диапазонах вместе) нормальная галактика испускает примерно за тысячу лет нормальной работы, а звезда вроде нашего Солнца не вырабатывает такого количества за всю жизнь. Более того, его не выделит за многие миллиарды лет жизни сотня таких звезд, как наше светило.

За 30 лет ученые не смогли точно определить, что является источником гамма-всплесков. В середине 1980-х годов астрономы даже шутили: число теорий о происхождении всплесков превышает число известных гамма-всплесков. Астрофизик Роберт Немиров, сотрудник Мичиганского технологического университета, в одной из своих работ опубликовал список — 100 теорий возникновения этого явления. В качестве источников рассматривались и взрывы черных дыр, и столкновения галактик, и взрывы маленьких сингулярностей (мини-прототипы Большого Взрыва, из которого произошла наша Вселенная), и даже обычные кометы.

Однако сейчас ученые всерьез рассматривают только две гипотезы. С их точки зрения, такие всплески могут произойти либо при взрыве гигантской сверхновой (астрономы называют их гиперновыми), либо при столкновении двух нейтронных звезд. В первом случае взрывается огромная, свыше 20 солнечных масс, звезда. Во втором — две нейтронные звезды, составлявшие раньше двойную звездную систему, много сотен миллионов лет кружатся друг вокруг друга в смертельном вальсе, постепенно сходясь по спирали.

В обоих случаях на выходе получается черная дыра, которую разглядеть практически невозможно. Отличаются взрывы тем, что в случае гиперновой он должен быть гораздо «грязнее», чем при столкновении «нейтронок». Вместе с гамма-лучами взорвавшаяся звезда выбрасывает в космос свою оболочку, которая уносится от нее со скоростью 10–30 тысяч км/с. Нейтронные же звезды такого «мусора» не производят. Их столкновение отличается почти идеальной экологической чистотой. Интересно, что при слиянии двух черных дыр или при поглощении черной дырой нейтронной звезды такого же колоссального эффекта не получается. Дыра просто не отпускает всю энергетическую массу, втягивая ее в себя безразмерной и всепоглощающей гравитацией.

В нашей Галактике уже найдены три пары подходящих нейтронных звезд, которые рано или поздно сольются. Слияние будет смертельным и для них, и для всех объектов, расположенных от них на расстоянии нескольких тысяч световых лет. К счастью, ближайшая из этих пар сольется, по расчетам, лишь через 220 миллионов лет. Однако нейтронные звезды весьма сложно обнаружить. Они очень малы, всего 10–20 километров в диаметре, и поэтому почти не различимы в видимом диапазоне. Эти опасные пары могут в любой момент неожиданно взорваться у нас под самым боком.

Гораздо легче найти звезду, которая может стать гиперновой. Такую не заметить трудно. Самым реальным кандидатом на эту роль является звезда Эта из созвездия Киля (часть группы созвездий, составляющих на небе Корабль Арго: есть еще Корма и Парус). Она в 100 раз тяжелее нашего Солнца. Диаметр ее ядра равен трем световым месяцам, а внешней оболочки — двум световым годам (расстояние от Земли до Солнца — 8 световых минут). В XIX веке она вдруг резко просияла и стала на нашем небосклоне второй по яркости после Сириуса; так светила около 20 лет, после чего угасла и пропала для невооруженного хотя бы биноклем наблюдателя. Но за последние десятилетия звезда разгорелась и ее опять стало видно невооруженным глазом.

В самом конце прошлого тысячелетия астрономы, направив на Эту телескоп «Чандра», обнаружили, что центр звезды сотрясают гигантские взрывы и от нее разлетаются ударные волны, а это, скорее всего, означает: звезда уже бьется в предсмертных судорогах.

Если взрыв произойдет дальше, то все будет несколько проще. Брайн Томас из Канзасского университета и Чарлз Джэкман из Годдардовского центра космических полетов рассчитали последствия 10-секундного всплеска в случае, если он произойдет на расстоянии до 10 тысяч световых лет.

Пробив защитные поля, поток гамма-излучения обрушится на Землю. Высокоэнергетичные гамма-лучи разобьют содержащийся в воздухе азот (его в нашей атмосфере 77 %) на отдельные атомы. Атомарный азот вступит в реакцию с кислородом, в результате чего получится окись азота. Она, в свою очередь, начнет разрушать озон, образуя диоксид азота, который, вступая в реакцию с кислородом, даст азотную окись. Круг замкнется, и пойдет цепная реакция. За 5 недель будет уничтожено до 90 % озонового слоя планеты.

На его восстановление потребуется не менее 5 лет. Все эти годы поверхность планеты будет активно обрабатываться смертоносной космической радиацией. Диоксид азота, из которого будет в основном состоять новая атмосфера, — токсичный бурый газ. Приток солнечного света к поверхности планеты уменьшится примерно вдвое. Наступит новый ледниковый период. Даже если человечество, изрядно сократившись, переживет эти катаклизмы, не задохнется и сумеет спрятаться от радиации, оно по уровню жизни будет отброшено в каменный век.

Мнение эксперта

Алексей Степанович Позаненко — астрофизик, старший научный сотрудник Института космических исследований РАН.

Космические гамма-всплески уже более 30 лет остаются одним из самых загадочных явлений современной астрофизики. Однако это не значит, что научное сообщество уделяет им недостаточно внимания.

За прошедшие годы количество исследователей, изучающих гамма-всплески, возросло от десятка увлеченных людей до нескольких тысяч ученых и инженеров практически по всему миру; следует упомянуть также несколько космических миссий, посвященных исключительно гамма-всплескам, и десятки оптических и радиотелескопов, ведущих наблюдения.

Выходит, дело не в недостаточности внимания, а в самом явлении, в его скоротечности и неповторимости. Столь короткое событие, иногда длительностью всего лишь одну сотую секунды, чрезвычайно сложно не только исследовать, но и просто зарегистрировать, особенно если никто не знает, где и когда оно произойдет. Гамма-всплески никогда не происходят в одном и том же месте пространства и не присылают нам заблаговременно уведомление о своем начале. Поэтому прогнозировать их появление невозможно. Приборам и исследователям надо быть в постоянной готовности. Гамма-всплески превратились во всеволновое явление — излучение от источников всплесков регистрируется и в радио-, и в оптическом, и в рентгеновском, и в гамма-диапазоне, вплоть до чрезвычайно жестких фотонов с энергией гигаэлектронвольты, а каждое событие является по-своему уникальным. Приходится ломать голову, чтобы найти в разнообразии проявлений гамма-всплесков что-то общее, присущее всем событиям.

Известно, что гамма-всплески в масштабе галактики — события редкие, вероятность появления гамма-всплеска за время жизни галактики меньше единицы. По одной из гипотез, динозавры вымерли в результате воздействия близкого к Земле гамма-всплеска, таким образом, этот гамма-всплеск, возможно, уже произошел в нашей Галактике. С другой стороны, если даже что-то и произойдет со звездой Эта Киля или с Бетельгейзе, то вероятность направленности узкого джета на землян составит менее одного шанса из тысячи.

А вот мощный гамма-всплеск 29 марта 2003 года, источник которого расположен на расстоянии 2 миллиардов световых лет, то есть далеко не только от Земли, но и от нашей Галактики, привел к заметному возбуждению ионосферы Земли — почти так же, как происходит возбуждение ионосферы после вспышек на Солнце. Так что еще не ясно, кого надо опасаться больше: ближайших соседей или весьма удаленных галактик.