[AUTO] [KOI-8R] [WINDOWS] [DOS] [ISO-8859]

"ВОЕННАЯ ТАЙНА" АСТРОФИЗИКИ
В.М.Липунов
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

"MILITARY SECRET" OF ASTROPHYSICS

V.M.LIPUNOV

During about 30 years astrophysicists tried without any success to solve one of the most mysterious problems -- problem of nature of Gamma Ray Bursts. Dozens of space experiments, dozens of dozens of theoretical papers just were fogging the situation. Only recently, in spring 1997, it becomes clear that we deal with the most huge and powerful phenomenon in the Universe.

Около тридцати лет астрофизики безуспешно пытались разгадать одну из самых загадочных тайн Вселенной -- природу гамма-всплексов. Десятки космических экспериментов, сотни теоретических статей лишь затуманивали ситуацию, и только совсем недавно, весной 1997 года, стало ясно, что мы имеем дело с самым грандиозным по мощности явлением в природе.

Есть военные тайны, а есть тайны природы и истории, связанные с ними и иногда тесно переплется. После подписания договора о запрете ядерных испытаний в трех средах в 1964 году, Пентагон запустил несколько военных спутников с целью контроля за ядерными испытаниями потенциальных противников и союзников. Идея слежения проста: подрыв ядерного устройства на поверхности или в атмосфере сопровождается коротким всплеском гамма-излучения. Если на околоземной орбите расположить несколько гамма-voen.ltx детекторов, то по временной задержке импульсов можно определить, какая из стран нарушает договор о ядерном воздержании. Вскоре выяснилось, что, кроме как Францией и Китем, конвенция нарушается некой третьей державой, расположенной в ...созвездии Большой Медведицы. Гамма-всплеки приходили из космоса! Лишь через несколько лет эти данные были рассекречены и предоставлены к обдумыванию астрономам, и вот уже почти тридцать лет бывшая военная тайна остается самой большой научной загадкой современной астрофизики. Все попытки найти источники гамма-всплесков заканчивались полным провалом. Создавалось впечатление, что они приходят из пустоты. Конечно, из такого скудного экспериментального материала родилось великое множество теоретических моделей. В потенциальные виновники попало практически все, что "плохо светит" в видимом диапазоне, -- от роя околосолнечных комет до реликтовых черных дыр, оставшихся от неоднородностей Большого Взрыва Вселенной.

 
Figure: Запись гамма-всплеска GRB 940206, произведенная с борта гамма-обсерватории им. Комптона. Этот всплеск не является типичным, потому что типичного всплеска нет. Общее лишь то, что в течении долей или нескольких секунд "из пустоты" появляется поток гамма-квантов обладающий сложной изрезанной временной структурой.

Поражала высокая частота событий -- всплески детектировались почти каждый день, что впервые было установленно в прекрасном советском эксперименте "Конус", осуществленном под руководством Е.П.Мазеца на космических аппаратах "Венера-11,12" и "Прогноз" в 70-е годы. Но еще более удивительным оказалось то, что всплески с равной вероятностью приходят с любого направления (распределены изотропно), но в пространстве расположены неоднородно! Последнее обстоятельство устанавливается путем статистического анализа зависимости частоты событий от интенсивности всплеска вблизи Земли. Это знаменитая зависимость "LogN - LogS". Она весьма полезна, когда ничего не известно о расстояниях до объектов. В плоском эвклидовом пространстве, однородно заполненном объектами, зависимость имеет наклон -3/2. Действительно, поток энергии, падающий на приемник обратно пропорционален квадрату расстояния до источника:

а число источников ярче F пропорциально объему сферы радиуса R

Oткуда

 
Figure 2.: Зависимость logN-logS для гамма-всплесков, полученная по данным наблюдений СGRO (точки), и теоретические кривые, полученные с помощью Машины Сценариев для различных моментов образования галактик после начала расширения Вселенной (Липунов, Постнов, Прохоров, Панченко, Йоргенсен (1995)).

В ХVIII в. Уильям Гершель, анализируя эту зависимость для звезд, установил, что наша Галактика плоская, точнее, имеет дискообразную форму. Млечный Путь, видимый простым глазом в ясную безлунную ночь -- не что иное, как наша Галактика, точнее, все ее неблизкие звезды, слившиеся в одну светящуюся полосу. А как выглядит "галактика" гамма-всплесков? Есть ли у нее своя полоса, состоящая из слабых всплесков? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь координаты и яркость как можно большего числа всплесков.

Последний эксперимент, поставленный на американской орбитальной гамма-обсерватории имени Артура Комптона (Compton Gamma Ray Observatory- - CGRO), позволил обнаружить более 2000 новых вслесков, и оказалось, что наклона -3/2 практически нигде нет (см. Рис. 2), а по небу источники распределены изотропно. Странная получается "галактика". Распределение по потокам показывает, что она дискообразная, а на небе никаких следов Млечного Пути нет!

 
Figure 3.: Карта 1000 гамма-всплесков, обнаруженных с 1991 по 1994 год с борта космической обсерватории им. А.Комптона.

Ничего подобного в нашей Галактике быть не может. Но в нашей Вселенной есть один практически идеально изотропный объект -- это сама Вселенная!

Имено это заставило многих ученых отказаться от галактичексой модели гамма-всплесков. Правда, не всех, и астрономическое сообщество разделилось на две, примерно равные части, в соответствии с крайними точками зрения:

либо источники гамма-всплесков удалены на космологические расстояния и их изотропия связана с изотропией нашей Вселенной,

либо они непосредственно окружают нашу Галактику, образуя своеобразную сферическую корону.

Дело даже дошло до публичных дебатов в Музее Естественной Истории в Вашингтоне между сторонниками этих гипотез (последний раз подобные дебаты проходили между Шэпли и Куртисом в 1920 году относительно того, являются ли слабые туманности далекими галактиками, подобными нашей). Сторонники галактической гипотезы аргументировали свою позицию, в основном прибегая к критике оппонентов: если встать на космологическую точку зрения, то есть удалить гамма-всплески на расстояния порядка 15 миллиардов световых лет, то, для объяснения наблюдаемой яркости всплесков нужно согласиться, что их источники -- это самые мощные объекты Вселенной. Действительно, даже самые слыбые из них создают у Земли поток энергии и, следовательно, их светимость или мощность равна (сравните с формулой (1)):

Напомним, что до сих пор самыми мощными источниками во Вселенной считались квазары, светимость которых в 10 000 раз меньше! А ведь есть гамма-всплески и в сто раз ярче, а это уже . При самом эффективном механизме переработки массы в излучение, известном сейчас в астрофизике, требуется, чтобы в течении одной секунды "вступали в реакцию" массы, примерно равные массам звезд. Не слишком ли высока цена у космологической модели?

Сторонники же космологической точки зрения, во-первых, критиковали модель короны, явно противоречащую наблюдениям, -- ведь рядом с нашей есть несколько близких галактик, в том числе видимых невооруженным глазом, а вокруг них никаких корон нет. А во-вторых, космологическая гипотеза самым естественным образом объясняет кажущуюся неоднородность в распределении гамма-всплесков в пространстве. Ведь формула (2) в нашей Вселенной не верна! Все дело в общей теории относительности. В кривом пространсте объем сферы не равен и прямая LogN-LogS становится кривой с мешьшим наклоном даже при однородном распределении источников!

Какой процесс может обеспечить столь высокую светимость?

Сравнимые энергии выделяются при вспышках сверхновых, но при этом она почти целиком уносится нейтрино (оптическая вспышка является при этом лишь бледной тенью и растянута во времени на месяцы из-за огромного количества вещества, окутывающего центр высвечивания). Вот если бы вокруг не было вещества, то излучение, не перерабатываясь в мягкие кванты, за несколько секунд уходило бы в виде гамма-всплеска.

Но именно такая ситуация и реализуется при слиянии двух НЗ!

Идея о том, что слияние НЗ является причиной всплесков, высказанная еще в 1982 году советским астрофизиком С.И.Блинниковым с соавторами, в последние годы стала наиболее популярной.

Появилась серия работ, в которых наблюдаемая кривая LogN-LogS объяснялась эффектами ОТО в космологии. Однако недостаком всех этих работ было одно простое обстоятельство, ведь НЗ -- это результат звездной эволюции, а ведь было время (примерно 15 млрд. лет назад), когда не то, что звезд, не было даже галактик и, следовательно, сливающиеся НЗ распределены в наблюдаемом объеме Вселенной неоднородно! Темп слияния определяется законами эволюции (эволюционным сценарием) и историей образования звезд в нашей Вселенной (функцией звездообразования). На Рис.4 показан сценарий эволюции двойной системы, приводящий к образованию двойной нейтронной звезды и заканчивающийся полным слиянием вследствии излучения гравитационных волн.

Эволюция двойной начинается с образования двух голубых звезд, внутри которых идет термоядерная рекция горения водорода в гелий. Затем первая, певоначально более массивная, звезда пережигает свой водород и увеличивает свой радиус, постепенно приближаясь к критической полости Роша, -- поверхности, разграничивающей области гравитационного влияния компонент двойной. Через 12.7 млн. лет она заполняет свою полость Роша и начинает перетекать на соседку. В результате происходит перемена ролей, -- первоначально более массивная звезда становится менее массивной. Обмен массой оканчивается в тот момент, когда центральное ядро первой звезды сжимается и отделяется от оболочки. При этом в ее ядре происходит возгорание гелия. Образуется так называемая астрономами звезда типа Вольфа-Райе (WR), которая через 130 тысяч лет пережигает весь гелий и взрывается как сверхновая звезда, оставляя сверхкомпактный остаток -- нейтронную звезду. Так как взрывается менее масивная звезда, -- система не разваливается, и эволюция продолжается. Нейтронная звезда проходит несколько стадий -- от состояния эжектирующей потоки релятивистких частиц быстро вращающейся звезды до медленно вращающейся аккрецирующей звезды. Но более важно, что ее соседка наконец пережигает свой водород и повторяет путь первой звезды, рождая в конце вторую нейтронную звезду: образуется система двух нейтронных звезд, одна из которых, более молодая, проявляет себя как радиупульсар. Такие системы реально сейчас наблюдаются в Галактике. Параметры двойной системы, состоящей из двух нейтронных звезд, полностью контролируются гравитационно-волновым излучением. Примерно через 12 млрд. лет гравитационные волны уносят весь орбитальный момент двойной, и звезды сталкиваются, выделяя гигантскую энергию, состоявляющую несколько десятков процентов энергии покоя звезд.

 
Figure 4.: Эволюционный трек двойной системы, приводящий к образованию двойной нейтронной звезды. Слева и справа в ближайших колонках приводятся массы звезд в единицах солнечной массы. А - расстояние между звездами, выраженное в солнечных радиусах, и Т - возраст двойной системы в миллионнах лет.

Знание эволюции тесных двойных позволяет ответить на вопрос о том, соответсвует ли наблюдаемая функия LogN-LogS гамма-всплесков гипотезе сливающихся НЗ ? Такая задача была решена нами.

Прежде всего, мы расcчитали эволюцию темпа слияния в некоторой галактике, все звезды которой образовались одновременно в некоторый момент времени. Фактически, эта уникальная кривая, полученная с помощью специальной компьюторной программы -- "Машины Сценариев" (Подробнее об этой программе написано в другой популярной статье автора: "Искусственная Вселенная") -- описывает так называемые эллиптические галактики, в которых нет существенного звездообразования в настоящую эпоху. Это удается сделать с хорошей точностью, так как из наблюдений известна доля вещества, сосредоточенная в эллиптических и спиральных галактиках, а у последних звездообразование более-менее стационарно.

Полученные кривые привели нас к следующим заключениям: во-первых, наблюдаемые данные и гипотеза сливающихся НЗ находятся в хорошем согласии при определенных космологических параметрах (весьма близких к стандартным параметрам нашей Вселенной, найденных независимо по реликтовому излучению и крупномасштабной структуре Вселенной), во-вторых, расчеты показывают, что кривая LogN-LogS должна при переходе к более слабым потокам (пока еще недоступным) неизбежно изогнуться вверх (см. Рис. 2).

Последнее является отличным тестовым предсказанием, так как во всех других моделях ничего подобного не ожидается. Само же появление перегиба связано с тем бесспорно установленном фактом, что примерно 15 млрд. лет назад в нашей Вселенной шло бурное образование звезд и галактик. Однако, в то время не хватало данных для откртыия перегиба на кривой LogN-LogS.

Да и в конце-концов, метод Гершеля -- это статистика, а нужен принципиально новый эксперимент, дающий прямую информацию о свойствах гамма-всплеков и, желательно, не только в гамма-диапазоне.

Вплоть до весны этого года такого экспериемнта не было и в научных журналах продолжали появлятся самые фантастичесмкие модели гамма-всплесков...

• About this document ...