Вспышка за вспышкой

В понедельник, 11 ноября, исполняется 25 лет космическому инструменту, о котором сегодня мало кто помнит, хотя Россия по праву может им гордиться. Он стоит на борту спутника Wind, запущенного на американской ракете Delta-2 в 1994 году. Этот прибор называется «Конус», и последние четверть века он остается одним из главных открывателей гамма-всплесков. Редакция N + 1 рассказывает о самом «Конусе», о природе гамма-вспышек и истории их открытия.

Репортаж из точки Лагранжа

«Конус» был создан в Физико-техническом институте имени Абрама Иоффе под руководством члена-корреспондента Академии наук, мирового специалиста в области гамма-астрономии Евгения Павловича Мазеца.

Прибор представляет собой два ненаправленых сцинтиляторных приемника площадью около 100 квадратных сантиметров каждый, закрепленных на противоположных торцах космического аппарата. Каждый из приемников изучает ровно половину неба.

Инструмент может работать в двух режимах. В режиме ожидания он регистрирует сигналы в диапазоне 20–1500 килоэлектронвольт каждые 3 секунды, но когда количество гамма-фотонов превышает установленный порог, он переходит в активный режим.

Это значит, что следующие 230 секунд «Конус» не только измеряет падающую на него энергию в трех диапазонах каждые 2 миллисекунды, но еще и снимает спектр излучения в очень широком диапазоне величин — от 20 килоэлектронвольт до 15 мегаэлектронвольт.

Об аппарате Wind, который вывел гамма-детектор в космос, тоже надо сказать несколько слов. Помимо «Конуса», на нем находятся еще шесть приборов для изучения солнечного ветра, а также «коллега» российского прибора по поиску гамма-всплесков — американский прибор TGRS, рассчитанный на очень короткий срок работы и планово выключившийся после исчерпания запасов хладагента.

Wind начал свою научную программу всего через 10 дней после запуска, но финального пункта назначения, первой Лагранжевой точки L1, он достиг лишь через десять лет - сразу после запуска он летал по сильно вытянутой орбите, то приближаясь к Земле на 50 тысяч километров, то удаляясь от неё на 2 миллиона, изучая влияние солнечного ветра на магнитосферу Земли и окрестности Луны.

В 2004 году аппарат Wind обосновался в первой точки Лагранжа системы "Солнце-Земля", она примечательна тем, что космический аппарат в ней находится на примерно одинаковом расстоянии от Земли (то есть с ним всегда есть связь), и в то же время достаточно далеко (чуть более 5 световых секунд), чтобы тень Земли не могла скрыть гамма-всплески, а её магнитосфера - исказить приходящий сигнал.

Чтобы оставаться в этой точке, Wind совершает периодические коррекции по траектории, известной как "орбита Лиссажу". В аппарате ещё остаётся 300 килограмм топлива - достаточно, чтобы находиться в точке L1 следующие 50 лет. Главное, чтобы не отказали приборы. За годы работы «Конус» обнаружил более 4700 всплесков, из них 49 в 2018 году и пока всего 29 в 2019-м, но этот список наверняка пополнится еще до Нового года.

Открытие с борта спутника-шпиона

Что же такое гамма-всплеск? Сама этимология намекает, что это кратковременный выброс энергии в очень жесткой части электромагнитного спектра — области гамма-излучения.

Гамма-всплески обнаружили в 60-е годы американские спутники Vela, предназначенные для отслеживания ядерных испытаний в СССР. Оказавшись на орбите, они внезапно стали регистрировать множество событий, которые никак нельзя было объяснить взрывами бомб, да и временной профиль этих сигналов был совсем другим.

Через шесть лет после обнаружения первого всплеска, получившего обозначение GRB 6707021, с данных был снят гриф секретности, и Рей Клебесадель опубликовал первую статью, в которой дал первое (оказавшееся достаточно точными) описание 16 известных на тот момент всплесков.

Об истории неожиданного открытия гамма-всплесков и их последующего изучения можно прочитать в замечательной книге Говерта Шиллинга «Flash!: The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe».

Гамма-всплески — это одно из очень немногих явлений природы, открытие которых, не предсказанное ни одной из теорий, стало полной неожиданностью для ученых.

Ни Vela, ни современные аппараты не могут точно определить место всплеска на небе — у фотонов гамма-диапазона слишком высокая энергия, чтобы их можно было отклонять зеркалами, фокусируя на детектор. Поэтому каждый отдельный детектор гамма-излучения может только поймать сигнал и измерить его интенсивность.

Для определения координат используется метод триангуляции, то есть вычисления временной задержки прихода сигнала на разные спутники. Чем дальше друг от друга находятся спутники, тем точнее сигнал.

Для координации и совместной регистрации всплесков в 1978 году была создана международная межпланетная сеть гамма-детекторов IPN, в которую в разное время входили аппараты «Гелиос», обсерватория имени Эйнштейна, «Венера-11» и «Венера-12».

В последнее десятилетие XX века основу сети IPN составляли аппарат «Улисс», который первым вышел из плоскости эклиптики и изучал Солнце; миссия NEAR, отправленная к астероиду Эрос, находящемуся между Землей и Марсом, и собственно «Конус».

При этом со времени вывода обсерватории Комптона из эксплуатации в 2000 году и до запуска обсерватории Ферми в 2004-м «Конус» был единственным полноценно работающим околоземным звеном сети IPN.

Расстояния между аппаратами были настолько велики, что разница прихода сигналов на них позволяла определить положение гамма-всплеска с точностью менее одной угловой минуты — это сравнимо с угловыми размерами МКС при наблюдении с Земли.

Сигнал возрастом 6 миллиардов лет

После регистрации первых всплесков встал вопрос об их природе: что это за процессы невероятной мощности и где они идут — внутри нашей Галактики, в соседних галактиках или еще дальше?

Уже через 20 лет после открытия всплесков Евгений Мазец представил результаты экспериментов по регистрации гамма-всплесков на борту советских аппаратов «Венера». Распределение длительности всплесков было бимодальным, с первым пиком в районе 0,2 секунды (короткие гамма-всплески) и вторым — около минуты (длинные).

Такое четкое разделение сигналов указывает на как минимум два разных источника всплесков.

Множество теорий сходилось в одном: точно установить причину возникновения всплесков можно, только наблюдая их в других областях электромагнитного спектра — от рентгеновского и ультрафиолетового до инфракрасного и радио.

Однако, это оказалось технически очень сложной задачей. Во-первых, вспышка невероятно короткая, речь идет о миллисекундах, максимум — днях, что совсем нетипично для астрономии, где миллионы лет — это обычный временной масштаб.

Во-вторых, пик энерговыделения приходится именно на гамма-диапазон, и во всех других частях спектра сигнал будет намного слабее. Чтобы его увидеть, нужны большие телескопы, а они заняты своими наблюдениями, видят только небольшой участок неба и не могут всю ночь мониторить небесный свод, ожидая достаточно редких (несколько десятков в год) вспышек.

Первое наблюдение гамма-всплеска в другом диапазоне произошло в феврале 1997 года: европейский аппарат BeppoSAX, оснащенный и гамма-детектором, и рентгеновским приемником, смог сперва увидеть гамма-вспышку, а потом оперативно (всего через 8 часов) измерить рентгеновское излучение, которое можно локализовать на небе намного точнее из-за меньшей энергии фотонов.

Так было получено первое остаточное излучение гамма-всплеска. В последующие три дня источник наблюдали в рентгеновском диапазоне еще несколько раз. Этих двух наблюдений хватило, чтобы определить, что энергия источника затухала по степенному закону, что характерно для последствий взрыва.

К сожалению, последующие оптические и инфракрасные наблюдения смогли лишь обнаружить быстро затухающий источник, но не измерить его спектр, а значит, расстояние до всплеска и его полная мощность все еще были неизвестны.

Прорыв произошел в 1997 году, когда удалось быстро локализовать гамма-всплеск GRB 970508, обнаруженный все тем же космическим телескопом BeppoSAX, и в следующие несколько дней наблюдать его более 70 раз на различных оптических и ИК-телескопах.

Кстати, одни из самых точных данных были получены на российском шестиметровом телескопе БТА. Используя его снимки, а также линии поглощения железа и линии излучения ионизованного кислорода в спектре послесвечения, снятые на десятиметровом телескопе Кека, астрономы надежно определили красное смещение источника.

Его значение оказалось равным z = 0,835, то есть сигнал шел до нас больше 6 миллиардов лет.

Открытие позволило не только надежно установить, что подобные взрывы происходят в далеких галактиках, и дать оценку общей энергии всплеска, но и более обоснованно рассуждать о причинах выбросов и механизмах их развития.

Самый мощный источник гамма-излучения

Сейчас общая картина уже ясна, хотя многие детали остаются непонятными: обычные короткие гамма-всплески могут порождаться слиянием двух компактных объектов (таких как нейтронные звезды или черные дыры), в то время как взрыв массивной звезды с последующим образованием черной дыры приводит к появлению долгого гамма-всплеска.

Конечный результат обоих видов всплесков — это черная дыра, окруженная аккреционным диском вещества, которое выпадает на него за несколько секунд. Падение приводит к такому нагреву, что происходит взрыв, который уносит вещество (протоны, нейтроны, электроны), разогнанное до околосветовых скоростей, прочь от центрального объекта.

Температура вещества так высока, что оно начинает излучать гамма-фотоны, высвобождая колоссальное количество энергии в виде двух непродолжительных узконаправленных вспышек гамма-излучения (джетов). Гамма-фотоны попадают в неподвижную межзвездную среду и поглощаются ею, формируя ударную волну.

Эта волна быстро распространяется, одновременно адиабатически остывая. Если этот джет направлен на Землю, мы видим его как быстрый гамма-всплеск, а остывание нагретой этим всплеском межзвездной среды — как быстроспадающее послесвечение в других областях спектра.

Кроме того, источником гамма излучения могут быть мягкие повторяющиеся гамма-всплески (МПГВ), обнаруженные 5 марта 1979 года восемью независимыми космическими детекторами, в том числе и аппаратами «Венера», разработанными группой Мазеца. Причиной их появления считают процессы на поверхности магнитаров или нейтронных звезд.

Существенным отличием МПГВ от обычных гамма-всплесков является то, что источник гамма-излучения не разрушается — многие МПГВ были отождествлены с уже известными пульсарами, и они продолжали вращаться и после прихода гамма сигнала.

Важно понимать всю мощь гамма-всплеска: первый гамма-всплеск с измеренным красным смещением, GRB 970508, за 15 секунд только в гамма-диапазоне выделил столько же энергии, сколько даст Солнце во всем электромагнитном спектре за всю свою жизнь.

Еще одним свидетельством гигантской энергии является расстояние, с которого они доходят до нас: так, например, гамма-всплеск GRB 090423 случился всего через 630 миллионов лет после Большого взрыва — это пятый по удаленности объект, обнаруженный учеными во Вселенной.

В момент взрыва и на несколько мгновений гамма-всплеск с большим запасом становится самым мощным источником гамма-излучения во Вселенной, его энергия в гамма-диапазоне равна 10⁴⁵ джоулей, что на 9 порядков больше, чем энергия гамма-фотонов у активных ядер галактик — одного из самых мощных источников излучения во Вселенной.

Достижения «Конуса»

Важно отметить, что хотя «Конус» и не делает красивых снимков, как «Хаббл» или «Спитцер», и что хотя ему уже 25 лет, его данные до сих пор используются, чтобы совершать научные открытия мирового значения.

Например, в 2017 году Анастасия Цветкова с коллегами из Физико-технического института имени Иоффе опубликовала первую часть каталога гамма-всплесков с известными красными смещениями. 150 всплесков, обнаруженных на красных смещениях от 0,1 до 5 («Конус» работал в режиме ожидания) — это крупнейший подобный каталог, составленный по результатам наблюдений одного инструмента.

Вторая часть, которая готовится сейчас, будет дополнена еще 190 всплесками, полученными «Конусом» в обоих режимах. Самый далекий из представленных там источников появился всего лишь через 520 миллионов лет после Большого Взрыва (z = 9,4), что делает его еще более далеким, чем упомянутый выше рекордный гамма-всплеск GRB 090423.

Попытка найти самый далекий гамма-всплеск — это совсем не гонка за рекордом: подобные события очень важны для понимания эволюции галактик в ранней Вселенной. Регистрация гамма-всплесков — это единственная возможность обнаружить подобные галактики, которые настолько малы и далеки от нас, что невидимы даже самым большим оптическим телескопам.

Еще одной важной задачей, решаемой проектом «Конус»-Wind, является поиск сверхдолгих гамма-всплесков — тех, которые могут длиться десятки минут и даже несколько часов.

Сейчас астрономы знают порядка дюжины подобных событий, но их природа до сих пор остается загадкой. Модели предсказывают либо взрыв очень массивной звезды (возможно, звезд населения III, то есть первых и самых массивных звезд во Вселенной), либо приливное разрушение карликовой звезды массивной черной дырой, либо рождение магнитара.

На момент запуска аппарата в 1994 году о существовании подобных всплесков не был известно, и алгоритмы поиска не были настроены на их обнаружение. Исследование архивных данных «Конуса» сейчас проводит группа во главе с еще одним сотрудником института Иоффе, Дмитрием Свинкиным.

По предварительным, еще не опубликованным данным, «Конус» обнаружил более 110 долгих (4 минуты и дольше) и 13 сверхдолгих (16 минут и дольше) гамма-всплесков, включая 8 ранее неизвестных.

Расположение сверхдолгих гамма-всплесков на графике «жесткость — время», где жесткость (то есть отношение числа высокоэнергичных фотонов к числу низкоэнергичных) представлена в виде логарифма наклона спектра, служит некоторым намеком на то, что подобные всплески не являются чем-то экзотическим. Они гармонично дополняют распределение обычных гамма-всплесков, только в область большей длительности.

Одним из неожиданных применений данных «Конуса» стал поиск гамма-всплесков, усиленных гравитационным линзированием — как и любой другой электромагнитный сигнал, гамма-фотоны изменяют свою траекторию под действием сильной гравитации. Таким образом можно обнаружить скрытую массу, расположенную между всплеском и Землей (например, незамеченное скопление галактик).

Подобную работу вместе с Анастасией Цветковой, Дмитрием Свинкиным и другими учеными провел сотрудник университета Беркли Кевин Херли. Он проверил 2301 гамма-всплеск, зарегистрированный «Конусом» между 1994 и 2017 годами, пытаясь найти необычно яркие всплески, которые можно было бы объяснить как раз работой гравитационной линзы.

К сожалению, пока ни один из кандидатов не прошел отбор, но работа продолжается.

В заключение надо сказать, что даже после запуска более совершенных аппаратов для регистрации гамма-всплесков, таких как Swift (2004), INTEGRAL (2002), RHESSI (2002), Fermi (2008), «Конус» останется важной частью сети IPN. Ведь он один из немногих инструментов, наравне с MESSENGER и BepiColombo, которые находятся достаточно далеко от Земли, чтобы она не блокировала ни один из гамма-всплесков.

К тому же современные детекторы платят за возможность определения направления на гамма-всплеск свою цену — у них меньшее поле обзора, что также мешает им увидеть все всплески.

Поэтому можно уверенно сказать, что два ненаправленых сцинтиляторных приемника, вращающиеся на аппарате с 300 килограммами топлива на борту, еще послужат человечеству. И двадцать пять лет не помеха.

Марат Мусин