МАСТЕР быстрого реагирования

В прошлую пятницу во время астрофизического семинара имени Я.Б.Зельдовича, который с незапамятных времен проходит в МГУ, профессор Владимир Михайлович Липунов объявил об открытии переменной поляризации собственного оптического излучения гамма-всплеска. Это важное астрофизическое явление было предсказано некоторыми моделями, но ранее не наблюдалось. Оно поможет лучше понять механизм гамма-всплесков. Тем приятнее, что основные наблюдения, сделавшие этот результат уникальным, были выполнены на российских телескопах сети МАСТЕР.

Гамма-всплеск —  это одно из самых мощных событий во Вселенной. Он появляется в результате коллапса быстровращающейся звезды или пары звезд. В обоих случаях из-за осевой симметрии системы взрыв будет не равномерно направлен во все стороны, а собран в два коллимированных пучка — джета. Гигантская энергия взрыва, к тому же собранная в узкий (всего несколько угловых градусов) луч, видна нам с огромных расстояний, и гамма-всплески — это одни из наиболее удаленных событий, которые можно наблюдать с Земли. Так, обсуждаемый всплеск, один из самых ярких за последнее время, на самом деле произошел в девяти миллиардах световых лет от нас.

Изучение гамма-всплеска (и его последующего затухания, которое называется послесвечением, или ореолом, и происходит в более мягком спектре — рентгеновском, оптическом и радио) очень важно для понимания того, как формируются черные дыры, нейтронные и даже гипотетические кварковые звезды.

Проблема состоит в том, что сам всплеск, как и любой взрыв — это очень кратковременное событие, которое длится несколько десятков секунд, и поймать его в телескоп трудно. Шансы, что кто-то наблюдает за нужной областью на небе, крайне малы. Поэтому в 90-е годы была создана международная сеть GCN по определению координат гамма-всплесков: космические гамма-телескопы, такие как Integral, Swift или Fermi, регистрируют вспышку и тут же передают ее приблизительные координаты на наземный пункт, расположенный в Центре космических полетов Годдарда.

Далее информация о координатах пересылается участникам сети в виде телеграмм, электронных писем и, вы не поверите, все еще сообщений на пейджер. Участники здесь — это персонал множества телескопов, раскиданных по миру. От того, как быстро они смогут навести телескоп на предполагаемое место на небе и начать получать снимки, зависит научная значимость — медленное затухание вспышки может длиться несколько дней, но все же самое интересное происходит в первые секунды.

И вот тут на сцену выходит сеть МАСТЕР, то есть Мобильная Астрономическая Система Телескопов Роботов. Это девять оптических станций, расположенных на трех континентах, которые в автоматическом режиме принимают сообщение сети GCN, быстро наводятся на небо и начинают делать серию снимков с небольшой выдержкой.

Хронологически всю цепь событий хорошо видно на рисунке ниже и ее можно описать так: 25 июня 2016 года космическая обсерватория Ферми регистрирует сильный всплеск гамма-излучения. Это только предвестник настоящего гамма-всплеска, называемый прекурсором: он обозначен как сигнал G1 и про него больше вопросов, чем ответов. Тем не менее, уже через 40 секунд этот сигнал был принят и обработан телескопами сети МАСТЕР.

Точность определения координат обсерваторией Ферми невелика, поэтому сразу без ошибки навести телескоп не получилось и за событием следила широкоугольная камера, которая, впрочем, не регистрировала никакого излучения, пока через три минуты до Земли не дошел основной сигнал всплеска G2. Его засекли и в оптическом, и в рентгеновском, и в гамма-диапазоне, но, что более важно, были точно определены координаты, и на него сразу навелись два МАСТЕРа — один на Тенерифе и еще один в Крыму. МАСТЕР-Таврида все еще находится в тестовом режиме, поэтому вклад телескопа в общий результат невелик. А вот его испанский близнец наблюдал за гамма-всплеском и его послесвечением в течение пяти минут.

Через несколько секунд после окончания съемки был зарегистрирован третий, слабый гамма-сигнал G3. Его затухающее излучение еще несколько месяцев регистрировалось более мощными телескопами в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах.

Важная особенность сети МАСТЕР состоит в том, что на каждой станции установлены два небольших телескопа с поляризационными фильтрами. Оба телескопа стоят соосно на одной монтировке, то есть они всегда смотрят в одну и ту же точку, куда бы их ни повернули, а фильтры ориентированы перпендикулярно друг другу. Так астрономы получают возможность точно определять полную поляризацию сигнала. Это и есть главное научное значение события — впервые была измерена поляризация оптического излучения самого гамма-всплеска, которая оказалась не только не нулевой, но еще и меняющейся во времени.

Для того чтобы понять, почему это так важно, нам необходимо более подробно рассказать о том, как устроен гамма-всплеск. Начинается все несколько раньше взрыва: некоторые звезды перед коллапсом выбрасывают короткий пучок гамма-излучения, который мы уже назвали прекурсором.

Астрофизики еще точно не знают, как именно он образуется и почему он есть только у 20 процентов регистрируемых гамма-всплесков. Есть предположения, что источником такого «гамма-предвсплеска» может быть резонансное взаимодействие внутренних и внешних слоев звезды незадолго до коллапса. Если это так, то возникнет прекурсор или нет, определяется скоростью вращения звезды и силой ее магнитного поля. Желающих разобраться более полно мы приглашаем изучить трехпараметрическую модель магнитовращательного коллапса звезды или вот эту качественную презентацию Сильвии Жу, астрофизика, работающей с телескопом Ферми.

В любом случае через несколько сотен секунд после прекурсора наступает катаклизм — в нашем случае это коллапс массивной звезды, в ядре которой закончилось топливо для ядерных реакций. Огромная сила гравитации больше ничем не скомпенсирована, и всего за несколько микросекунд звезда проваливается внутрь себя, образуя черную дыру и джет. Джет — это поток релятивистских (то есть разогнанных до околосветовых скоростей) частиц и фотонов очень высоких энергий. Эти частицы и фотоны разлетаются от сколлапсировавшей звезды не в полной пустоте — вокруг нее всегда есть пыль, газ, то, что называется межзвездной средой.

При пролете релятивистских частиц сквозь эту среду образуются две ударные волны — одна распространяется вместе с гамма-всплеском, а вторая, отраженная, направлена к центру взрыва. Обе ударные волны сильно нагревают электроны, которых в достатке в пространстве вокруг. Электроны прямой ударной волны остывают и излучают запасенную энергию в виде фотонов. Это называется послесвечением: его многократно регистрировали и даже измеряли его поляризацию, которая порождалась магнитным полем, существующим в межзвездном пространстве. Однако изучение этого послесвечения больше говорит о среде, через которую оно идет, чем об источнике взрыва.

Намного интереснее то, что происходит с ударной волной, направленной внутрь. Излучение энергии сколлапсировавшей звезды идет быстро, но все же не мгновенно. И поэтому джет некоторое время продолжает испускать релятивистские частицы, бьющие в эту ударную волну и порождающие целый поток фотонов, который потом зафиксировали оптические телескопы сети МАСТЕР. Они уже не раз регистрировали гамма-всплески, но сейчас, впервые в истории, была также измерена поляризация этого сигнала.

Оптическое излучение является собственным излучением гамма-всплеска, то есть оно сформировано в непосредственной близости от рождающейся черной дыры и, конечно, несет в себе очень много важной информации о механизме коллапса звезды. Более того, само наличие поляризации было неочевидным — многие астрофизики указывали на то, что область между ударными волнами гамма-всплеска настолько турбулентна, что магнитное поле там должно усредняться и никак не влиять на излучение.

Важная деталь: и послесвечение, и собственное оптическое излучение гамма-всплеска доходят к нам одновременно, поэтому одной из задач было выделить из общего сигнала обе части. Использование физических моделей послесвечения, намного более точных из-за менее сложной физики, позволило установить, что на него приходится только 40 процентов оптического излучения. Остальное — свет самого гамма-всплеска.

А почему, собственно, излучение гамма-всплеска поляризуется? Из курса школьной физики мы знаем, что свет может поляризоваться либо проходя сквозь поляризационный фильтр, либо сквозь сильное магнитное поле. Электроны, о которых мы писали выше, излучают в сильном магнитном поле. Это излучение называется синхротронным, и оно линейно поляризовано — каждый отдельный фотон имеет круговую поляризацию, но, складываясь вместе, они в результате имеют линейную поляризацию).

Однако магнитное поле обнаружено и теперь важно понять, откуда оно берется. На этот счет есть разные предположения. Согласно модели Блендфорда-Знаека, оно порождается аккреционным диском (падающее на черную дыру вещество трется, нагревается и порождает магнитное поле примерно так же, как вы электризуете свои волосы, если долго расчесываетесь). Модель авторов статьи предполагает, что черная дыра образуется намного дольше, чем принято считать (несколько сотен секунд), и за это время часть гравитационной энергии переходит в электромагнитную, создавая сильное магнитное поле.

В любом случае результаты, опубликованные в журнале Nature 28 июля, наверняка будут еще не раз использованы группами астрофизиков-теоретиков для проверки своих моделей.

Открытие поляризации гамма-всплесков — это хороший пример получения научных результатов мирового уровня на достаточно скромных инструментах при правильном подходе к делу. Благодаря небольшим размерам телескопы сети МАСТЕР очень быстро наводятся и готовы к работе через несколько секунд, значительно опережая более известные, но неторопливые телескопы с диаметром зеркала в несколько метров. Кроме того, перекрывая в сумме пятую часть неба, они сами ведут мониторинг гамма-всплесков и вспышек сверхновых и уже не раз регистрировали сигнал первыми, отправляя телеграммы-сообщения в центр GCN. Наконец, МАСТЕР с 2002 года участвует в программе по обнаружению космического мусора и новых астероидов, в том числе потенциально опасных для Земли.

Марат Мусин