История изучения гамма-всплесков
История изучения гамма-всплесков началась 2 июля 1967 года, когда американские спутники Vela зафиксировали вспышку гамма-излучения, источником которого не могли быть ни испытания ядерного оружия в атмосфере или космосе, ни другие известные тогда гамма-излучатели. Вскоре те же спутники обнаружили ещё пятнадцать необъяснимых гамма-всплесков, после чего учёный Рэй Клебесадел (англ. Ray Klebesadel) из Лос-Аламосской национальной лаборатории впервые опубликовал в открытой печати статью на эту тему под названием «Наблюдения гамма-всплесков космического происхождения» (англ. Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin)[1].
По мере наблюдения и изучения новых загадочных вспышек космического гамма-излучения, были предложены сотни моделей для объяснения их происхождения. С 1973 по 2001 год было опубликовано более 5300 научных работ на темы, связанные с гамма-всплесками[2].
Vela. Открытие гамма-всплесков
Гамма-всплески были
2 июля 1967 года в 14:19 по всемирному времени спутники Vela 4 и Vela 3 зафиксировали вспышку гамма-излучения, не похожую ни на одну из изученных вспышек излучения от ядерных взрывов[4]. При взрыве атомной бомбы интенсивная вспышка гамма-излучения длится менее одной миллионной доли секунды, затем интенсивность излучения устойчиво снижается по мере распада нестабильных атомных ядер. Но в этом гамма-сигнале не было ни короткой интенсивной вспышки в начале, ни устойчивого снижения потом — кривая интенсивности излучения имела два раздельных максимума[3]. В тот день не наблюдалось ни вспышек на Солнце, ни взрывов сверхновых, которыми можно было бы объяснить такое необычное гамма-излучение[4]. Группа учёных Лос-Аламосской национальной лаборатории, возглавляемая Рэем Клебесаделом (англ. Ray Klebesadel), получившая эти данные со спутников, ещё не понимала, что это произошло и почему, однако посчитала их важными и срочно отправила на дальнейшее исследование.
23 мая 1969 года был запущен спутник Vela 5, с усовершенствованными детекторами гамма-излучения, у которых чувствительность и временно́е разрешение были значительно выше, чем у детекторов на Vela 4, но уровень собственных шумов также был выше. Исследовательская группа в Лос-Аламосе ожидала, что новые спутники смогут обнаружить больше гамма-всплесков. И действительно, несмотря на шумовые помехи, по данным с этих детекторов удалось выявить ещё 12 событий, которые явно не были связаны ни с солнечными вспышками, ни со сверхновыми. Некоторые из них имели такую же динамику интенсивности излучения (с двумя пиками), как и первый гамма-всплеск, обнаруженный на Vela 4[4].
8 апреля 1970 года для более точного определения направлений на источники гамма-всплесков были выведены на орбиту спутники Vela 6. Детекторы на них не были лучше, чем на Vela 5, но орбиты были размещены как можно дальше от орбит спутниковой группировки Vela 5, так, чтобы расстояние между ними обычно было более 10 000 км. Такое расстояние уже позволяло определить разность времени прибытия гамма-излучения на спутники. Проанализировав моменты времени обнаружения всплесков на спутниках, команда Клебесадела смогла вычислить направления движения излучения шестнадцати гамма-всплесков. Эти направления оказались случайно распределены по небесной сфере, и стало ясно, что источники гамма-всплесков не находятся ни на Солнце, ни на Земле, ни на Луне, ни на других планетах Солнечной системы[4].
С 14 марта 1971 по 2 октября 1974 года проработал спутник IMP-6 (NASA), предназначенный для исследования
В 1973 году Рэй Клебасадел, Рой Олсон (Roy Olson) и Ян Стронг (Ian Strong) опубликовали в
Межпланетная сеть
Вскоре после открытия гамма-всплесков большинство астрономов согласились с тем, что для установления источников и причин гамма-всплесков нужно найти связь между ними и астрономическими объектами, наблюдаемыми в других диапазонах электромагнитных волн, особенно в видимом свете; этот подход уже был успешно применён в радиоастрономии и рентгеновской астрономии. Но для проведения наблюдений возможных источников гамма-всплесков в других диапазонах требовалось устанавливать направления на источники с большей точностью, нежели та, которую могла обеспечить спутниковая группировка Vela[10]. Для повышения точности нужно было расположить детекторы гамма-излучения на бо́льших расстояниях друг от друга, а значит — отправить такие космические аппараты не только на околоземные орбиты, но и в межпланетное пространство Солнечной системы.
К концу 1978 года первая
В 1978 — 1983 годах
Было выдвинуто множество гипотез и теорий происхождения гамма-всплесков, большинство которых предполагали, что источники этого гамма-излучения находятся в нашей Галактике. Однако определить расстояния до источников и проверить эти гипотезы тогда никак не удавалось, изучение гамма-всплесков продвигалось медленно.
«Комптон». Короткие и длинные всплески
В 1991 году была запущена орбитальная обсерватория «Комптон» с детекторами гамма-излучения, значительно более чувствительными, чем на предшествующих космических аппаратах. Её наблюдения показали, что источники гамма-всплесков расположены со всех сторон равномерно, и нет никакого преобладающего направления. В частности, их расположение никак не связано ни с центром, ни с плоскостью Млечного Пути[15]. Наша Галактика имеет довольно плоскую структуру, и если бы источники гамма-всплесков находились в ней, то направления на большинство из них оказались бы сосредоточены вдоль галактической плоскости[16][17].
По данным «Комптона» удалось выделить два основных типа гамма-всплесков: короткие всплески жёсткого гамма-излучения и более длинные всплески более мягкого гамма-излучения[18]. Короткие всплески обычно длятся менее двух секунд, и в них преобладают гамма-кванты высоких энергий; длинные могут продолжаться намного дольше и в них преобладают гамма-кванты с более низкими энергиями. Чёткой границы между короткими и длинными гамма-всплесками нет: наблюдались также средние по длительности и энергиям квантов всплески, и некоторые исследователи предложили выделить третий тип. Тем не менее, было накоплено достаточно данных о гамма-всплесках, чтобы различие между короткими и длинными всплесками можно было считать значимым и предполагать, что существуют разные типы их источников[19][20][21][22]. Была выдвинута гипотеза о том, какие космические события могут приводить к излучению каждого типа гамма-всплесков: слияние системы нейтронных звёзд, слияние нейтронной звезды и белого карлика, коллапс массивной звезды[23].
После открытия первых гамма-всплесков астрономы десятилетиями искали на местах недавних всплесков космические объекты, которые могли бы быть источниками этих всплесков. Под подозрение попадали
BeppoSAX. Определение расстояний до источников
В начале 1980 года группа исследователей из римского университета
.BeppoSAX впервые засёк гамма-всплеск, сопровождаемый рентгеновским всплеском, 20 июля 1996 года, но исследователи выявили это только шесть недель спустя, когда они анализировали записанные данные с рентгеновских и гамма-детекторов спутника, и обнаружили, что то и другое излучение пришло в одно и то же время с одного и того же направления[32][b]. При последующих наблюдениях на радиотелескопе Very Large Array (VLA), проведённых Дейлом Фраилом (англ. Dale Frail), на месте гамма-всплеска не удалось обнаружить никакого послесвечения в радиодипазоне, но удалось отработать процедуру синхронизации наблюдений источников гамма-всплесков в различных диапазонах электромагнитных волн. В гамма-всплеске 11 января 1997 года снова удалось одновременно наблюдать со спутника гамма- и рентгеновское излучение этого всплеска. Учёный Джон Хейз (John Heise) быстро провёл обратную свёртку данных рентгеновской камеры спутника и менее через сутки определил небесные координаты источника гамма-всплеска с точностью до 10 угловых минут[33]. Это уже не было рекордом точности — межпланентная сеть наблюдений гамма-всплесков выдавала и более точные координаты, но она не могла рассчитать их так быстро, как это смог Хейз[34]. В последующие дни Дейл Фрайл на VLA обнаружил в этом направлении одиночный источник затухающего радиоизлучения, и достигнутая точность определения небесных координат уже позволила связать этот источник с конкретной лацертидой, находящейся в том направлении в пределах «короба погрешности»[c] и предположить, что источник гамма-всплеска находится в этой активной галактике. Статья обо этом была опубликована в журнале Nature. Но позднее Джин ин'т Занд (Jean in 't Zand), бывший гамма-спектроскопист из Центра космических полётов Годдарда, написал новую компьютерную программу для вычисления обратной свёртки, которая смогла уменьшить погрешность определения небесных координат источника гамма-всплеска с 10 до 3 угловых минут, и теперь та лацертида оказалась за пределами «короба погрешности» — значит, источник всплеска находился не в ней, а неизвестно где. Несмотря на удачное одновременное наблюдение спутником BeppoSAX рентгеновского и гамма-всплеска, его источник опять оказался неустановленным[33].
Успех пришёл только в феврале 1997 года, когда BeppoSAX обнаружил гамма-всплеск GRB 970228 с затухающим рентгеновским послесвечением, а наземные телескопы успели зафиксировать его затухающее оптическое излучение[35]. Достигнутая точность определения небесных координат гамма-всплеска позволила определить, что его источник находился в конкретной галактике, очень далёкой и тусклой. До этого удавалось повышать точность определения небесных координат — направлений на источники гамма-всплесков, но определить расстояние от Земли до источника гамма-всплеска не получалось даже приблизительно[d]. Установление расстояния до источника гамма-всплеска и космического окружения этого источника стало научным прорывом в инструментальном и теоретическом исследовании гамма-всплесков[36].
8 мая того же года было сделано ещё одно прорывное открытие в этом разделе астрономии. BeppoSAX засёк гамма-всплеск GRB 970508. Направление на источник было вычислено всего через 4 часа после всплеска — быстрее, чем когда-либо ранее. Это позволило вовремя начать наблюдения послесвечения во всех диапазонах. Сравнивая астрономические фотографии за 8 и 9 мая, удалось на месте гамма-всплеска в пределах «короба погрешности» найти единственный астрономический объект, заметно увеличивший светимость за эти сутки. Чарльз Стейдель (Charles Steidel) в обсерватории Кека записал спектр излучения этого переменного объекта, а Марк Мецгер (Mark Metzger) проанализировал тот спектр и определил красное смещение z=0,835. Значит, расстояние до источника того гамма-всплеска составляло примерно 6 миллиардов световых лет. Это был первый случай установления красного смещения излучения источника гамма-всплеска и определения расстояния до него с такой точностью, и это стало подтверждением гипотезы о том, что источники большинства гамма-всплесков находятся в крайне отдалённых галактиках[37].
До обнаружения и локализации GRB 970228 вопрос о том, должны ли источники гамма-всплесков излучать обнаружимые вблизи Земли радиоволны, не был разрешён и вызывал споры среди астрономов.
Поскольку GRB 970508 одновременно наблюдался во многих диапазонах электромагнитных волн, с измерением интенсивностей излучения, стало возможным начертить достаточно полный спектр гамма-всплеска и хотя бы примерно вычислить суммарную мощность и общую энергию излучения. Ральф Вайджерс (Ralph Wijers) и Титус Галама (Titus Galama) провели расчёт физических параметров гамма-всплеска, в том числе общую энергии излучения и плотности вещества, окружающего источник. Решив довольно громоздкую систему уравнений, они нашли, что эта энергия составляла примерно 3⋅1052
Следующим гамма-всплеском, для которого удалось определить красное смещение и расстояние до источника, стал GRB 971214[англ.]. Красное смещение оказалось равным 3,42, расстояние — 12 миллиардов световых лет. Детекторами на «Комптоне» и BeppoSAX удалось более точно измерить интенсивность излучения всплеска. Шринивас Кулкарни (англ. Shrinivas Kulkarni), который измерил это красное смещение в обсерватории Кека, предположил, что излучение источника гамма-всплеска является всенаправленным, и тогда количество энергии, излучённой за полминуты, должно составлять 3⋅1053 эрг (3⋅1046 Дж); это в сотни раз больше, чем Солнце излучит за 10 миллиардов лет. Такая энергия взрыва превосходила всё, ранее известное, за исключением Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, потому этот гамма-всплеск получил неофициальное название «Большой взрыв-2» (англ. Big Bang 2) и поставил в тупик астрофизиков-теоретиков.
Никакие известные космические явления и никакие математические модели астрофизики не могли объяснить такой колоссальной мощности источника излучения. Либо этот источник был чем-то совершенно неизвестным науке, либо это излучение не было всенаправленным, а было сфокусировано в очень узкий луч, который оказался довольно точно направленным в сторону Земли. Во втором случае суммарная энергия всплеска могла быть на несколько порядков меньше вычисленной Кулкарни, и его можно было объяснить в рамках известного астрофизикам на тот момент. Но тогда реально происходящих гамма-всплесков должно быть в сотни раз больше, чем наблюдаемых, потому что узкие лучи большинства из них не направлены в сторону Земли и не могут быть обнаружены космическими аппаратами, находящимися в Солнечной системе[41].
HETE
В 1983 году Стенфорд Вусли (англ. Stanford Woosley), Дон Ламб (Don Lamb), Эд Фейнимор (Ed Fenimore), Кевин Хёрли (Kevin Hurley) и Джордж Рикер (George Ricker) начали обсуждать планы создания нового исследовательского спутника — High Energy Transient Explorer (HETE)[англ.][42]. К тому времени уже многие космические аппараты вели наблюдение за гамма-излучением в космосе, но HETE стал первым КЛА, специально спроектированным и построенным для исследования гамма-всплесков[43]. Главным его преимуществом, ради которого он и создавался, была намного более высокая, чем у «Комптона», точность определения небесных координат источников гамма-всплесков. В 1986 году эта команда учёных предложила NASA произвести запуск спутника, оборудованного четырьмя детекторами гамма-излучения, рентгеновской камерой, и четырьмя электронными камерами ультрафиолетового и видимого диапазонов. Стоимость проекта составляла 14,5 млн. долларов США, запуск первоначально планировался на лето 1994 года[42], но состоялся только 4 ноября 1996 года и оказался неудачным. Ракета-носитель «Пегас XL» с двумя спутниками — HETE и аргентинским научно-исследовательским аппаратом SAC-B — успешно стартовала, но потом ни один из этих спутников не смог отделиться от носителя и направить солнечные батареи на Солнце. Через сутки после запуска радиосвязь со спутниками окончательно прервалась[44]. Исследователи предприняли новую попытку, и она оказалась успешной: спутник HETE 2 был запущен 9 октября 2000 года, а 13 февраля 2001 года зафиксировал свой первый гамма-всплеск[45].
Современные исследования
На спутнике GGS WIND, запущенном 1 ноября 1994 года, установлено два гамма-спектрометра с разных сторон спутника, в зоне обозрения которых находится вся небесная сфера[46].
Международная обсерватория гамма-лучей INTEGRAL была запущена 17 октября 2002 года и стала первым космическим аппаратом, способным одновременно наблюдать объект в гамма-, рентгеновском, ультрафиолетовом и видимом диапазонах[47].
Другим исследовательским аппаратом НАСА стал космический гамма-телескоп Fermi, начавший работу 11 июня 2008 года; одной из его задач является изучение гамма-всплесков для раскрытия тайны их происхождения[49]. Той же цели служит итальянский космический аппарат AGILE.
Гамма-всплеск GRB 230307A[англ.], наблюдавшийся в 2023 году — второй по величине среди когда-либо зарегистрированных гамма-всплесков во Вселенной, был вызван слиянием двух нейтронных звезд[50]
Пояснения
- ↑ Принята следующая система обозначений гамма-всплесков: в начале буквы «GRB» (англ. gamma-ray burst — гамма-всплеск), затем последние две цифры года (например, 79 для 1979 года), две цифры — месяц, две цифры — число месяца. Если обнаруживалось более одного гамма-всплеска за сутки, то в конце обозначения добавлялась латинская буква: «a» для первого в этот день всплеска, «b» для второго и так далее. С 2010 года букву на конце начали ставить любому гамма-всплеску, даже если он был единственным в тот день.
- ↑ см. также циркуляры 6472 (Frail et al.), 6480 (Piro et al.), 6569 (in 't Zand et al.), 6570 (Greiner et al.)
- ↑ англ. error box
- ↑ О галактиках, в которых были обнаружены источники гамма-всплесков, смотрите базу данных GHostS
Примечания
- ↑ 1 2 Klebesadel, 1973, p. L85.
- ↑ Hurley, 2003.
- ↑ 1 2 Katz, 2002, pp. 4–5.
- ↑ 1 2 3 4 Schilling, 2002, pp. 12–16.
- ↑ 1 2 Gamma-Ray Bursts: a brief history (англ.). NASA. Дата обращения: 10 апреля 2018. Архивировано 21 декабря 2016 года.
- ↑ NASA HEASARC: IMP-6. NASA. Архивировано 5 февраля 2012 года.
- ↑ NASA HEASARC: OSO-7. NASA. Архивировано 5 февраля 2012 года.
- ↑ Мазец, 1974.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 16–17.
- ↑ Katz, 2002, p. 19.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 19–20.
- ↑ Аптекарь, 2010.
- ↑ Голенецкий, 1982.
- ↑ Голенецкий, 1987.
- ↑ Meegan, 1992.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 36–37.
- ↑ Paczyński, 1999, p. 6.
- ↑ Kouveliotou, 1993.
- ↑ Mukherjee, 1998.
- ↑ Horvath, 1998.
- ↑ Hakkila, 2003.
- ↑ Horvath, 2006.
- ↑ Chattopadhyay, 2007.
- ↑ 1 2 Liang, 1986, p. 33.
- ↑ Liang, 1986, p. 39.
- ↑ Schilling, 2002, p. 20.
- ↑ Fishman, 1995.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 58–60.
- ↑ Schilling, 2002, p. 63.
- ↑ Schilling, 2002, p. 65.
- ↑ Schilling, 2002, p. 67.
- ↑ Green.
- ↑ 1 2 Schilling, 2002, pp. 86–89.
- ↑ Schilling, 2002, p. 84.
- ↑ Paradijs, 1997.
- ↑ Frontera, 1998.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 118–123.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 114–115.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 124–126.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 141–142.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 150–153.
- ↑ 1 2 Schilling, 2002, pp. 62–63.
- ↑ Schilling, 2002, p. 56.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 69–70.
- ↑ Schilling, 2002, pp. 252–253.
- ↑ Aptekar, 1995.
- European Space Agency (14 декабря 2017). Дата обращения: 9 апреля 2018. Архивировано16 октября 2012 года.
- ↑ Gehrels, 2004.
- NASA (20 марта 2018). Дата обращения: 9 апреля 2018. Архивировано8 сентября 2018 года.
- ↑ Раскрыта природа второго по яркости взрыва во Вселенной: гамма-всплеск GRB 230307A вызван слиянием нейтронных звезд Архивная копия от 28 февраля 2024 на Wayback Machine // Лента.ру, 28 февраля 2024
Литература
- Aptekar, R. Konus-W gamma-ray burst experiment for the GSS Wind spacecraft (англ.) // doi:10.1007/BF00751332. —.
- Chattopadhyay, T. Statistical Evidence for Three Classes of Gamma-Ray Bursts (англ.) // doi:10.1086/520317. —.
- Fishman, C. J.; Meegan, C. A. Gamma-Ray Bursts (англ.) // .
- Frontera, F.; Piro, L. Proceedings of Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era. — Astronomy and Astrophysics Supplement Series, 1998. Архивная копия от 8 августа 2006 на Wayback Machine
- Gehrels, N. The Swift Gamma-Ray Burst Mission (англ.) // doi:10.1086/422091. —.
- Hakkila, J. How Sample Completeness Affects Gamma-Ray Burst Classification (англ.) // .
- Horvath, I. A Third Class of Gamma-Ray Bursts? (англ.) // .
- Horvath, I. A new definition of the intermediate group of gamma-ray bursts (англ.) // .
- Hurley, K. A Gamma-Ray Burst Bibliography, 1973-2001 // Gamma-Ray Burst and Afterglow Astronomy, 2001: A Workshop Celebrating the First Year of the HETE Mission / editors G. R. Ricker, R. K. Vanderspek. — American Institute of Physics, 2003. — P. 153–155. — ISBN 0-7354-0122-5.
- Green, Daniel W. E. IAUC 6467: gamma-RAY BURST; CAL 83 (англ.). Central Bureau for Astronomical Telegrams (3 сентября 1996). Дата обращения: 8 апреля 2018.
- Katz, Johnathan I. The Biggest Bangs (англ.). — Oxford University Press, 2002. — ISBN 0-19-514570-4.
- Klebesadel, R. Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin (англ.) // doi:10.1086/181225. —.
- Kouveliotou, C. Identification of two classes of gamma-ray bursts (англ.) // doi:10.1086/186969. —.
- AIP Conference Proceedings No. 141 / editors Liang, Edison P.; Vahé Petrosian. — New York: American Institute of Physics, 1986. — ISBN 0-88318-340-4.
- Meegan, C. A. Spatial distribution of gamma-ray bursts observed by BATSE (англ.) // Nature. — 1992. — Vol. 355, iss. 6356. — P. 143. — doi:10.1038/355143a0. —.
- Mukherjee, S. Three Types of Gamma-Ray Bursts (англ.) // .
- Paczyński, Bohdan. Gamma-Ray Burst — Supernova relation // Supernovae and Gamma-Ray Bursts: The Greatest Explosions Since the Big Bang / eds. M. Livio, N. Panagia, K. Sahu. — Space Telescope Science Institute, 1999. — P. 1–8. — ISBN 0-521-79141-3.
- Schilling, Govert. Flash! The hunt for the biggest explosions in the universe. — Cambridge: Cambridge University Press, 2002. — ISBN 0-521-80053-6.
- van Paradijs, J. Transient optical emission from the error box of the gamma-ray burst of 28 February 1997 (англ.) // Nature. — 1997. — Vol. 386, iss. 6626. — P. 686. — doi:10.1038/386686a0. —.
- Аптекарь Р.Л., Голенецкий С.В., Мазец Е.П., Пальшин В.Д., Фредерикс Д.Д. Исследования космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров в экспериментах ФТИ КОНУС . — УФН, 2010. — Т. 180. — С. 420—424.
- Голенецкий С.В., Мазец Е.П. С. 216. // Сб. Астрофизика и космическая физика. — М.: Физматлит, 1982. —
- Голенецкий С.В., Мазец Е.П. Т. 32. — С. 16.. // Сб. Астрофизика и космическая физика (Итоги науки и техники. Сер. Астрономия). — М.: ВИНИТИ, 1987. —
- Мазец Е. П., Голенецкий С. В., Ильинский В. Н. Вспышка космического гамма-излучения по наблюдениям на ИСЗ «Космос-461» // Письма в ЖЭТФ. — 1974. — Т. 19. — С. 126—128.