Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби

Быстрые радиовсплески (Fast radio bursts, FRB) относятся к числу самых трудноуловимых явлений во Вселенной: мощные радиосигналы возникают в далеком космосе на несколько миллисекунд, а затем исчезают без следа. С какими только причинами не связывали их появление, начиная от черных дыр и кончая внеземным разумом.

К настоящему времени открыто всего 18 быстрых радиовсплесков. Это и понятно: слишком уж они кратковременные, да и радиотелескоп может обозревать только небольшой участок неба в каждый данный момент. Из них только FRB 121102 повторялся несколько раз.

В 2017 году Шами Чаттерджи с коллегами из Корнеллского университета (г. Итака, штат Нью-Йорк, США) смогли точно определить положение этого повторяющегося радиовсплеска. Они использовали данные Сверхбольшой антенной решетки имени Карла Янского (Karl G. Jansky Very Large Array), состоящей из 27 радиотелескопов, расположенных в штате Нью-Мексико (США), а также данные 21 телескопа Европейской РСДБ-сети (European VLBI Network). Эти антенные сети, работая вместе, дают гораздо более высокое разрешение, чем любая радиоантенна по отдельности, что позволило астрономам установить место нахождения радиовсплеска в 100 000 раз точнее, чем во время предыдущих попыток.

Оказалось, что радиовсплеск связан с тусклой карликовой галактикой, находящейся на расстоянии около 2,5 миллиарда световых лет от нас, ее диаметром в десять раз меньше, чем у Млечного Пути.

Зная, откуда именно идет радиовсплеск, можно ограничить число гипотез, касающихся его происхождения. Поскольку этот радиоисточник находится очень далеко, он должен быть чрезвычайно ярким и обладать огромными запасами энергии. Скорее всего, другие радиовсплески также возникли не поблизости – хотя была и такая гипотеза. Но нельзя полностью исключить и предположение, что FRB 121102 является уникальным объектом, а другие быстрые радиовсплески имеют совершенно другую природу и относятся к неповторяющемуся типу.

Существуют и совсем экзотические теории, объясняющие происхождение быстрых радиовсплесков: например, взрывы микроскопических черных дыр или столкновения сгустков темной материи с черными дырами. Несколько более прозаическое объяснение повторяющихся вспышек FRB 121102 заключается в том, что они исходят от активного ядра галактики. Но сам Чаттерджи склоняется к тому, что радиовсплески FRB 121102 и почти постоянный радиоисточник, найденный неподалеку от него, связаны с остатками сверхновой, получающей энергию от молодой, быстро вращающейся нейтронной звезды. В принципе, хозяйская галактика FRB 121102 похожа на те слабые галактики, в которых вспыхивают самые яркие сверхновые; поэтому сценарий Чаттерджи является заманчивым, хотя далеко не доказанным.

В 70-х годах XX века астрономы впервые зарегистрировали гамма-всплески. В среднем, они распределены на небе случайным образом и происходят примерно раз в сутки. За несколько секунд в таких вспышках высвобождается больше энергии, чем может дать Солнце за 10 миллиардов лет своей жизни.

Самые короткие всплески обычно длятся менее одной секунды. В настоящее время считается, что они вызваны слиянием двух нейтронных звезд. Продолжительность длинных всплесков обычно составляет от нескольких секунд до нескольких минут. Их происхождение связывают со взрывом звездных ядер при коллапсе массивных звезд. Было замечено, что они совпадают с очень яркими взрывами сверхновых. Одну из таких вспышек гамма-излучения, GRB 080319B, можно было увидеть в 2008 году в оптической области невооруженным глазом, несмотря на то что она произошла на расстоянии 7,5 миллиарда световых лет от Солнца.

Теоретическое обоснование длинных гамма-всплесков заключается в том, что наряду с интенсивным излучением во время вспышки испускаются и струи вещества (джеты) со скоростью, близкой к скорости света. Если джеты ориентированы таким образом, что нацелены на Землю, они посылают в нашу сторону направленное излучение. Значительная часть этого излучения из-за сильного доплеровского смещения (скорости джетов околосветовые!) регистрируется в гамма-диапазоне.

Что именно происходит в центре взрыва, пока неясно. Может быть, в результате коллапса звезды образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда с мощным магнитным полем – такая звезда называется магнетаром. Она способна сильно возбудить окружающее вещество, в результате чего возникнут джеты. Рассматривают и альтернативный вариант: коллапс звезды приводит к образованию черной дыры. Тогда джеты могут сформироваться при взаимодействии черной дыры с веществом, падающим в черную дыру, как в воронку. В любом случае, будь то нейтронная звезда или черная дыра, огромная энергия вращательного движения центрального объекта передается джетам.

Какой именно сценарий реализуется в случае гамма-всплеска, можно понять, оценив полную энергию, выделяющуюся при взрыве. Энергия вращающегося объекта зависит от его массы, и мы знаем, какой предельной массы может достигнуть нейтронная звезда, прежде чем она превратится в черную дыру. А предельной массы у черной дыры не существует, поэтому она может выработать больше энергии, чем любая нейтронная звезда.

В 2010 году Брэдли Сенко с коллегами из Центра космических полетов Годдарда проанализировали четыре самых ярких гамма-всплеска, обнаруженных космическим гамма-телескопом «Ферми».

Энерговыделение в джетах от самого мощного гамма-всплеска, GRB 090926A, достигало 1,4 x 1045 Дж. Нейтронная звезда может освободить не более 3 x 1045 Дж, причем только малая часть этой энергии будет выделяться в джетах. Поэтому исследователи склоняются к выводу, что этот всплеск, как и три других, стимулирован процессами, происходящими в черных дырах. При этом Стэн Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Круз считает, что это справедливо по отношению только к самым мощным гамма-всплескам, а более слабые всплески могут объясняться активностью магнетаров.

Поскольку мы видим гамма-всплески с очень большого расстояния, ученые считают, что их исследование может помочь в изучении истории расширения Вселенной, начиная с самых ранних дней. А благодаря этому, возможно, удастся понять, как себя ведет темная энергия. Но сначала мы должны выяснить механизм свечения гамма-всплесков, чтобы иметь возможность вычислять их истинную светимость, анализируя флуктуации их излучения.

Если нам крупно не повезет и подобный гамма-всплеск произойдет в нашей собственной Галактике, будучи направлен в сторону нашей планеты, он может нанести Земле значительный ущерб. Не исключено, что вспышки гамма-излучения в нашей Галактике явились причиной массовых вымираний отдельных видов живых организмов на доисторической Земле. С другой стороны, благодаря им могли произойти и генетические мутации, вследствие которых появились новые разнообразные формы жизни.

Практически вся информация о Вселенной, которой мы обладаем, получена нами из анализа электромагнитного излучения. Если в течение нескольких тысячелетий древние астрономы, наблюдавшие небо, имели в своем распоряжении только видимый диапазон длин волн, то за последнее столетие их возможности значительно расширились: появились приборы, которые способны фиксировать радиоволны, «видеть» инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, исследовать рентгеновские и гамма-лучи. Единственным исключением были нейтрино, но, поскольку реактор в центре Солнца продолжает работать, настанет день, когда и нейтрино будут использованы для исследования центральных областей активных галактик.