Космические горелки: всплески гамма-излучения
Пучок излучения пришел без всякого предупреждения.
Предупреждения и не могло быть: фронт волны двигался со скоростью света, максимально возможной скоростью во Вселенной. Ничто не может двигаться быстрее, поэтому волна смерти объявила о своем прибытии сама.
Во всем южном полушарии Земли у людей был обычный день: магазины, работа, игры, прогулки, охота. Когда пучок достиг Земли, все мгновенно изменилось. Совершенно обычное небо буквально в одну секунду внезапно озарилось, как будто кто-то включил свет. В небе вспыхнула пронзительно яркая точка, настолько яркая, что те, кто смотрел на нее, инстинктивно отвели заслезившиеся от интенсивного света глаза.
Новая звезда на небе была столь невероятно яркой, что могла бы затмить полную Луну, однако быстро угасла. Она начала блекнуть спустя менее 30 секунд, а через несколько минут на нее уже можно было смотреть. Люди останавливались на улицах, в пустынях, на равнинах Антарктики, на морских судах в южной части Тихого и Индийского океанов и дивились невероятно яркой, но быстро угасающей звезде на небе.
Но удивление их длилось недолго, и они вернулись к своим повседневным делам.
Большинство уже позабыли об этом событии, когда несколько часов спустя в земную атмосферу ворвался поток субатомных частиц от гаснущей звезды. Невидимым дождем эти частицы пролились с неба и затопили всю поверхность планеты от Южного полюса до 30° северной широты. Смертельную дозу облучения получили Австралия, Новая Зеландия, Южная Америка, по сути, вся Африка и Индия, а также половина Китая. Не важно, находились ли люди в домах или на улице под открытым небом — все они подверглись действию излучения.
На двух третьих поверхности Земли люди начали умирать.
Северная Америка, Европа и большая часть Азии избежали немедленных последствий, но это вряд ли имело значение. Когда большая часть населения Земли умирает, это сокрушительный удар для всей планеты. А те, кто не погиб сразу от вспышки излучения, были все равно обречены: атака разрушила озоновый слой, и он наполовину утратил свои защитные свойства. УФ-лучи Солнца смогли проникать, практически ничем не задерживаемые, прямиком до поверхности Земли, уничтожая основание пищевой цепочки.
Но окончательный удар был еще впереди. В воздухе начал формироваться толстый слой смога, порожденный волной субатомных частиц, и через несколько дней небо над всей планетой приобрело темно-коричневый оттенок. Все продержавшиеся до сих пор стойкие растения внезапно обнаружили, что солнечного света становится все меньше, а температура падает... что само по себе было плохо, но тут пошел кислотный дождь.
И это все также было недолгим. В течение нескольких недель температура на Земле упала настолько, что начался новый ледниковый период. Вскоре с обоих полюсов пошли в наступление ледники.
Люди, выжившие в первые месяцы после события, узнали, что наблюдали смерть сверхмассивной звезды Эта в созвездии Киля, но это знание им не помогло. Запущенное той звездой массовое вымирание будет самым масштабным из всех когда-либо наблюдавшихся на Земле. А когда оно завершится, удивляться тому, как одна единственная звезда на расстоянии триллионов километров смогла меньше чем за минуту уничтожить всю историю, будет некому.
Холодная война, горячие новости
В 1960-е гг. отношения между США и Советским Союзом были напряженными. СССР разместил военную базу на Кубе, менее чем в 160 км от побережья Флориды. Неудавшееся вторжение Соединенных Штатов только подогрело ситуацию. Обе сверхдержавы проводили испытания ядерного оружия на поверхности, под землей и в воздухе. СССР взорвал крупнейшую термоядерную бомбу в истории мощностью, эквивалентной 50 млн т тротила.
Само собой разумеется, что обстановка по обе стороны была нервозная. Рукотворный конец света был вполне реальной возможностью.
Поэтому в августе 1963 г. США, Великобритания и СССР подписали исторический Договор о запрещении испытаний ядерного оружия, ограничивающий проведение таких испытаний. Самая первая статья договора гласит:
«Каждый из Участников настоящего Договора обязуется запретить, предотвращать и не производить любые испытательные взрывы ядерного оружия и любые другие ядерные взрывы в любом месте, находящемся под его юрисдикцией или контролем... в атмосфере; за ее пределами, включая космическое пространство; под водой, включая территориальные воды и открытое море...»
Это были серьезные ограничения. Даже более 10 лет спустя результаты ядерных испытаний зачастую оказывались неожиданными. Оружие испытывали не только для того, чтобы увеличить его взрывную мощность и улучшить технические характеристики, но и для того, чтобы выяснить последствия взрывов для окружающей среды. Всего за год до подписания договора, в 1962 г., в удаленном месте над Тихим океаном на высоте 400 км Соединенные Штаты взорвали устройство под названием Starfish Prime. Это практически уже космос; атмосфера Земли на такой высоте крайне разрежена. У Starfish Prime была относительно малая мощность, 1,4 МГт (эквивалент 1,4 млн т тротила), тем не менее результаты были впечатляющие. Взрыв породил массивный импульс гамма-излучения, фотонов света, обладающих очень высокой энергией. Эта волна гамма-излучения ворвалась в атмосферу Земли, срывая электроны с орбит атомов. От движения заряженных частиц возникали магнитные поля, а внезапный скачок быстро движущихся электронов породил огромный электромагнитный импульс энергии, или ЭМИ. Этот скачок отключил уличное освещение на Гавайях, оплавил линии электропередачи, вызвал перегрузки в телевизорах и радиоприемниках — и все это на расстоянии более 1500 км.
Испытания в космосе были опасными, а понимания их отдаленных последствий в то время еще не было. Становилось все яснее, что радиоактивные осадки и другие результаты взрывов делают ядерные испытания в атмосфере и околоземном пространстве крайне нежелательными. Договор о запрещении испытаний приветствовали как большой шаг к миру во всем мире.
Разумеется, США полностью доверяли Советскому Союзу, зная, что он не посмеет нарушить договор... ну да, как бы не так. Хотя тот договор был отличным началом, никто никому не доверял, и обе стороны относились друг к другу с большой подозрительностью. Более того, американские ученые указывали на то, что СССР мог бы взорвать бомбы на обратной стороне Луны, и эти взрывы было бы сложно обнаружить. Советы могли нарушить договор, и США никогда бы об этом не узнали. Что же делать?
Ничто так не подстегивает технический прогресс, как страх. Американцы быстро нашли способ контролировать коварные Советы.
Несмотря на то что сам взрыв бомбы с обратной стороны Луны, вероятно, сложно заметить, от разлетающегося облака осколков в космосе образовалось бы довольно много радиоактивного материала, который можно обнаружить. Одним из таких радиоактивных побочных продуктов было бы гамма-излучение. В 1960-х гг. технология регистрации гамма-излучения была относительно новой, однако достаточно проработанной, позволявшей «унюхать» любые признаки радиации от транслунных взрывов. Но была одна загвоздка: гамма-излучение из космоса не может проникать в атмосферу Земли, поэтому детекторы пришлось бы запускать на спутнике.
Кроме обычных проблем с отправкой детекторов в космос, стоял также вопрос учета гамма-излучения от астрономических объектов, а не от советских ядерных бомб. Солнце испускает гамма-излучение, и высокоэнергетические частицы от солнечных вспышек можно также принять за гамма-излучение. Спутник может заметить внезапный скачок гамма-излучения, но будет обманут извержением на Солнце или случайно залетевшей частицей.
Очевидным решением было запускать спутники, следящие за гамма-излучением, парами. Случайно залетевшая частица, попавшая в один спутник, не будет зарегистрирована вторым — и это будет проверкой на ложные срабатывания. Данные от каждого спутника можно было бы сравнивать, и, если бы излучение зарегистрировали оба, ученые могли бы предположить, что его источник, возможно, не космический. Другие существующие спутники отслеживали солнечные вспышки, поэтому можно было бы также сверяться с их показаниями.
Пары спутников очень быстро построили и запустили. Первый комплект по имени Vela — что по-испански означает «караульная служба» — был запущен всего через несколько дней после подписания Договора о запрещении испытаний. Первые спутниковые детекторы были грубыми, они могли с определенностью регистрировать гамма-излучение только после «облучения» в течение 32 секунд. Но разработки быстро продвигались, и к 1967 г. была запущена четвертая пара, при этом пятая пара, значительно усовершенствованная по сравнению с ранними миссиями, также была уже на подходе.
Двум ученым, Рою Ольсону и Рею Клебесаделю, была поручена сложная задача — сравнивать показания одного спутника с показаниями его партнера. Они проверяли и проверяли, и каждый раз результаты оказывались отрицательными. Но в 1969 г. им впервые повезло. Вскоре после запуска в 1967 г., 2 июля оба спутника Vela-4 зарегистрировали эпизод гамма-излучения. Быстрая проверка данных по солнечным вспышкам показала, что никакой активности в тот день не было. Позднее они обнаружили, что пара спутников Vela-3 также зарегистрировала это событие.
Но была одна проблема — что бы ни вызвало гамма-излучение, это не было похоже на ядерный взрыв. У ядерного оружия очень своеобразные интенсивность и характер затухания гамма-излучения, а событие от 2 июля выглядело совсем другим. Это был мощный, узкий пик излучения, длящийся менее секунды, а за ним следовал более длительный и более слабый импульс, продолжавшийся еще несколько секунд.
Что это могло быть? К несчастью, спутники Vela-4 понятия не имели о том, откуда пришло излучение, поэтому определить его источник было невозможно. Оно могло прийти от Луны, от ядерного испытания, как опасались, или из совершенно другой точки на небе. Кроме того, это событие началось и закончилось так быстро, что нельзя было и надеяться использовать для поиска его источника оптический телескоп.
Тем не менее спутники Vela-5 и Vela-6 были более мощными — они были чувствительнее к гамма-излучению и имели лучшее временное разрешение. Если бы событие от 2 июля повторилось или случилось бы что-то аналогичное, эти спутники имели гораздо больше шансов на то, чтобы выяснить, что происходит. Решив, что «одно из украшений храбрости — скромность», ученые не спешили обнародовать данные о событии от 2 июля.
И правильно сделали. В течение следующих нескольких лет были зарегистрированы еще несколько таких же загадочных всплесков. Плюс большое количество спутников на орбите давало дополнительное преимущество: так как они находились на расстоянии тысяч километров друг от друга, стало возможным приблизительно определять направление на каждую вспышку. Даже на скорости света импульсу излучения требуется определенное время, чтобы дойти от одного спутника до другого. Эту временную задержку в сочетании с известными положениями спутников и расстояниями между ними можно было использовать, чтобы взять азимут на событие.
Накапливающиеся данные поражали ученых: вспышки гамма-излучения появлялись в произвольных точках космоса! Все они, похоже, приходили не от Солнца или Луны. Стало ясно, что Ольсон и Клебесадель наблюдали совершенно неизвестное, но исключительно мощное астрономическое событие, о котором раньше никто не знал. Ситуация казалась нелепой — как могла Вселенная скрывать такое от пытливых глаз астрономов? — и тем не менее.
К 1973 г. Клебесадель и Ольсон собрали достаточно данных и обнародовали их. Вместе с еще одним ученым по имени Айан Строн они представили результаты на астрономическом заседании в Огайо и опубликовали научную работу под названием «Наблюдения всплесков гамма-излучения космического происхождения» (Observations of Gamma-Ray Bursts of Cosmic Origin) в престижном журнале Astrophysical Journal. В работе описывались 16 всплесков, зарегистрированных на тот момент (к 1979 г., когда миссии Vela окончательно завершились, спутники зарегистрировали свыше 70 всплесков гамма-излучения).
Следует отметить, что и некоторые другие астрономы обнаруживали странные гамма-частицы на своих детекторах, установленных на разных спутниках, но не были уверены в их природе. Именно накопленные спутниками Vela качественные данные позволили определить, что эти события происходили в дальнем космосе или, по крайней мере, за пределами лунной орбиты.
Не то, чтобы у ученых были идеи о том, что это были за события. Сегодня гамма-всплески так же приводят в замешательство, как и в те дни. Когда группа Клебесаделя опубликовала свои результаты, источник происхождения всплесков гамма-излучения был полной загадкой. Гамма-излучение может генерироваться только во время мощных событий, таких как взрывы звезд, солнечные вспышки или ядерные взрывы. Но исследователи установили, что ни Солнце, ни какие-либо сверхновые не были источниками тех всплесков. И это определенно не были ядерные испытания — хотя спутники Vela зарегистрировали несколько испытаний ядерного оружия в атмосфере (других стран), но сигналы от них было невозможно с чем-то перепутать.
Чем могли быть эти всплески? Что еще больше запутывало ситуацию — расстояния до источников всплесков гамма-излучения были совершенно неизвестны. Сложно было представить, чтобы они находились очень близко (скажем, в пределах Солнечной системы), потому что казалось невероятным, что какой-то объект или событие могли генерировать гамма-лучи, а мы бы о них еще не знали. Но повторюсь, данные не позволяли увязать всплески с какими-либо наблюдаемыми далекими астрономическими событиями.
Так как разумных объяснений не находилось, в ход пошли более странные идеи. Может быть, эти всплески возникают, когда кометы ударяются о поверхность сверхплотных нейтронных звезд, или, может быть, они появляются при каком-то ином, но настолько же экзотическом событии. Никто не знал. Однако большинство астрономов сходилось тогда во мнении, что всплески гамма-излучения возникали не очень далеко — то есть не за пределами Галактики. Чем дальше источник, тем ярче он должен быть, иначе мы его не обнаружим. Если бы всплески гамма-излучения возникали за пределами Галактики, генерируемая энергия должна была быть невероятной.
Но это не сильно помогло. Неизвестных было по-прежнему слишком много.
С определением источников гамма-всплесков имелись две фундаментальные проблемы: недостаток оперативной информации и недостаток информации о направлении.
Первая проблема была существенной. Для того чтобы передать информацию со спутников на Землю, зарегистрировать ее и затем истолковать, может понадобиться несколько дней или даже недель (или, как в случае первого всплеска, два года). Но всплески гамма-излучения затухали всего через несколько секунд! К тому моменту, когда всплеск получал подтверждение, от него уже и следа не оставалось.
Была надежда на то, что, возможно, при всплесках излучается свет и в других диапазонах — рентгеновское излучение или видимый свет — и что это свечение не угаснет достаточно долго и его удалось бы увидеть в других телескопах. Если исходить из допущения, что всплески гамма-излучения — результат каких-то взрывов, было бы логично предположить наличие какого-то послесвечения, на обнаружение которого у астрономов было бы время. Но это приводит нас ко второй проблеме: куда смотреть?
У детекторов гамма-излучения того времени было плохое зрение: первые миссии просто не могли разглядеть, откуда пришли лучи.
Оптический свет — тот, который мы видим, — обладает достаточно низкой энергией. Тщательно отъюстированные линзы и зеркала внутри телескопа преломляют и отражают свет, фокусируя его. Это можно использовать для того, чтобы очень точно оценить положение источника видимого света. Но гамма-излучение больше похоже на пролетающие пули. Измерять их путь гораздо сложнее, и даже сегодня у нас нет технологии для фокусирования гамма-излучения.
Это означает, что, даже если гамма-излучение можно обнаружить и измерить, определить направление, с которого оно пришло, очень сложно. Спутники Vela могли указать направление только очень приблизительно (не намного точнее, чем «вон там где-то»). Но для того, чтобы получить представление об объекте, направление очень важно. Если положение источника гамма-излучения известно, на тот участок неба можно направить другие телескопы и рассмотреть, что к чему. Затем любой источник видимого света, обнаруженный в том месте, можно сравнить с известными источниками, такими как галактики или звезды, включенными в существующие каталоги. Но здесь требуется определенная степень точности: если можно только ориентировочно прикинуть, что источник всплеска находится на участке неба размером с полную Луну, там окажутся тысячи или даже миллионы объектов, которые можно обнаружить с помощью большого оптического телескопа.
Со временем технологии начали приближаться к решению этой задачи. В 1991 г. NASA запустило гамма-обсерваторию им. Комптона (Compton Gamma-Ray Observatory) с детекторами гамма-всплесков на борту. Способность обсерватории Комптона находить положение источников гамма-всплесков по-прежнему была не слишком выдающейся — обсерватория могла лишь определить, что они находятся на участке неба размером с 25-центовую монету, если держать ее на вытянутой руке, — но определенно это был прогресс. За все время работы миссии было зарегистрировано свыше 2700 гамма-всплесков. И, даже если направления были неточными, количество наблюдений само по себе было огромным достижением; когда наблюдений накопилось достаточно, начали проявляться закономерности.
Прежде всего, эта большая коллекция всплесков позволила ученым определить, что, насколько можно было судить, существовало два вида всплесков: короткие, обычно длящиеся менее двух секунд; и длинные, которые продолжались более двух секунд. Были даже обнаружены всплески, длящиеся несколько минут. По мере того как число наблюдаемых гамма-всплесков росло, выяснилось, что более короткими, как правило, были всплески более мощного — «жесткого» — гамма-излучения, а более длительными — менее мощного — «мягкого» — гамма-излучения. Несмотря на то что причины явления не были ясны, это был важный ключ к его происхождению.
Однако, возможно, более значимым для решения этой загадки был важный научный результат наблюдений обсерватории Комптона: было обнаружено, что гамма-всплески распределены по всему небу равномерно. На первый взгляд может показаться, что от этого факта мало толку, однако на деле он исключает многие возможные источники их происхождения.
Представьте, что вы стоите в поле и вокруг вас жужжат насекомые. Если вы находитесь в центре поля, то, в какую бы сторону вы ни посмотрели, вы бы предполагали увидеть примерно одинаковое количество насекомых. Но если вы ближе к восточной кромке поля, то увидите гораздо больше насекомых к западу (если смотреть через все поле), чем к востоку (если смотреть в сторону ближайшей кромки поля). Количество насекомых, которых вы видите в определенном направлении, говорит кое-что о вашем положении в рое мошкары (сделаем допущение, что рой относительно хаотичный и равномерный).
Поэтому информация от Комптона о том, что гамма-всплески распределены беспорядочно по всему небу, сразу же говорит нам о важном факте: мы находимся в центре распределения гамма-всплесков в космосе.
Если бы гамма-всплески происходили в нашей Солнечной системе, мы бы ожидали увидеть их больше в одном направлении, чем в другом, потому что в центре Солнечной системы не мы, а Солнце. Мы смещены от центра на сотню миллионов километров, поэтому можно ожидать, что это отразится на распределении гамма-всплесков. Но смещения нет, значит, они приходят не от объектов в нашей Солнечной системе.
Но это также означает, что гамма-всплески приходят не от источников, разбросанных по нашей галактике Млечный Путь. Так как Земля находится на полпути между центром и краем Галактики, гамма-всплески в этом случае наблюдались бы преимущественно со стороны ее центра, если смотреть с Земли. Но это не так, значит, они также не галактического происхождения.
Остается не так уж много вариантов. Возможно, они приходят от звезд, находящихся очень близко к Солнцу, например на расстоянии всего несколько световых лет, но не от далеких звезд, находящихся на расстоянии, скажем, более нескольких сотен световых лет, потому что тогда мы бы видели больше гамма-всплесков по направлению к центру Галактики. Другой вариант — гамма-всплески возникают очень, очень далеко, совсем не в нашей Галактике, а на расстоянии миллионов световых лет от нас.
Все эти варианты также были не вполне удобоваримыми. Звезды не в состоянии производить такие мощные всплески, а если бы всплески возникали действительно очень далеко, испускаемая в виде всплеска энергия должна была быть непомерно высокой.
Тем не менее астрономы делали ставки на оба варианта решения этой проблемы, бешено публикуя свои работы и споря, иногда также бешено, о ней. Они даже организовали знаменитые дебаты на эту тему между двумя заслуженными учеными, занимавшими разные позиции: один защищал идею, что всплески приходят от ближних звезд, второй утверждал, что они приходят с дальних рубежей Вселенной. Но ко времени дебатов дело уже шло к тому, чтобы получить настоящие ответы.
Вид издалека
В 1996 г. был запущен совместный голландско-итальянский спутник Beppo-SAX. У него не было специальной цели отслеживать гамма-всплески, но он мог это делать. Что более важно — он был готов совершить революцию: на борту имелись детекторы, которые на самом деле могли довольно хорошо устанавливать направление приходящего к нам из космоса рентгеновского излучения (его, как и направление более мощных собратьев, гамма-лучей, сложно с точностью определить). Кроме того, у аппарата было широкое поле обзора, что повышало шансы на обнаружение всплеска, возникающего на произвольном участке неба, даже если сначала его положение не было хорошо известно.
В феврале 1997 г. прибор контроля Beppo-SAX зарегистрировал длинный гамма-всплеск. По счастливой случайности он также попал в поле обзора детекторов рентгеновского излучения. Выполнили наблюдения, а спустя несколько дней еще раз. Прорыв! Результаты были однозначными — за тот период яркий источник рентгеновского излучения существенно потускнел. Астрономы знали, что это должно было быть затухающее послесвечение от всплеска. И что еще лучше — детекторы рентгеновского излучения смогли достаточно точно определить положение всплеска, который сейчас называют GRB 970228 (гамма-всплеск, наблюдавшийся 28 февраля 1997 г.).
Не прошло и месяца, как космический телескоп «Хаббл» нацелился на точку, в которой наблюдался гамма-всплеск, и прорыв получил дополнительный импульс: было зарегистрировано затухающее свечение в видимом диапазоне спектра, и, похоже, оно находилось прямо у тусклой, далекой галактики. Для простого совпадения это было слишком близко.
Затем, наконец, решающий фактор. В мае того же года циклопический 10-метровый телескоп «Кек» на Гавайях получил спектры послесвечения гамма-всплеска. Это позволило астрономам точно определить расстояние до гамма-всплеска GRB 970228, и они с изумлением узнали, что источник находился на поражающем воображение расстоянии в 9 млрд световых лет. Это дальше, чем половина Вселенной!
Наконец, 30 лет спустя, после тысячи наблюдаемых всплесков и бессчетного количества споров, ответ на главный вопрос был найден: источники всплесков находятся не просто далеко, а очень далеко. После этого никто уже не сомневался в колоссальных расстояниях до источников всплесков гамма-излучения. Они приходили из удаленных от нашего Млечного Пути мест, по сути, из мест, расположенных достаточно близко к границе видимой части Вселенной.
Но оставался один серьезный вопрос: какое событие могло в принципе генерировать такие титанические энергии?
БАБАХ!
С какой бы стороны на это ни посмотреть, но короткие гамма-всплески являются самыми яркими объектами во Вселенной, самыми шикарными взрывами после Большого взрыва.
Это немаленькая проблема. Представьте себе источник света в космосе: свет, который он излучает, будет расходиться в виде сферы. По мере увеличения сферы свет рассеивается и выглядит для наблюдателя более тусклым (тускнеет с расстоянием). Когда расстояние до объекта удваивается, площадь, по которой рассеивается свет, увеличивается в четыре раза, поэтому яркость уменьшается в четыре раза. Если расстояние увеличить в десять раз, яркость света составит всего одну сотую (1%) и так далее. Следовательно, с увеличением расстояния яркость объекта падает очень быстро. Это представляло серьезную проблему для исследователей гамма-всплесков: взрыв, породивший гамма-всплеск, должен был быть грандиозным, иначе мы на Земле, на расстоянии миллиардов световых лет, совсем бы не зарегистрировали этого всплеска. После всех вычислений стало понятно, что ничего не понятно. Даже если бы вся звезда преобразовалась в энергию, согласно уравнению Эйнштейна E=mc2 (см. главу 2), этого было бы недостаточно, чтобы породить такой всплеск, а ведь это буквально вся энергия, которую вы можете получить от звезды (пренебрежем тем неудобным фактом, что известного способа конвертировать всю звезду в энергию не существует, и уж, разумеется, за несколько секунд).
Но выход все-таки нашелся. Что, если взрыв не был симметричным, равномерно расширяющимся во всех направлениях? Что, если он был направленным?
Если взять небольшую лампочку и включить ее, она будет испускать свет во всех направлениях, а ее кажущаяся яркость будет быстро уменьшаться с расстоянием. Но если вы вкрутите лампочку в фонарик, который собирает и фокусирует свет в пучок, то свет будет оставаться ярким на большем расстоянии.
Астрономам удалось прикоснуться к ответу на этот фрагмент головоломки гамма-всплесков. Вместо взрыва на колоссальном расстоянии с выделением практически невозможного количества энергии, расходящегося сферой и быстро затухающего, возможно, взрыв был менее мощным, но сфокусированным в пучки. Пучки означали бы, что по сравнению со сферическим взрывом потребовалась бы лишь крошечная доля той энергии.
Энергия взрыва все равно должна быть безумно большой, иначе мы не увидели бы его так четко сквозь просторы Вселенной, но не настолько невероятной. На деле, энергия этого события была бы сравнима с энергией вспышки сверхновой. Это дало астрономам надежду на то, что они смогут найти Святой Грааль науки о гамма-всплесках: движущую силу этого явления.
А из всех обитателей космического зверинца, о которых астрономам было известно, только один в принципе мог бы генерировать силы таких масштабов.
Тяжесть ситуации
Черные дыры имеют дурную славу — они засасывают материю и энергию и не возвращают их, поэтому может показаться парадоксом, что они могут стоять за всплесками гамма-излучения, самыми яркими явлениями во Вселенной.
Но ключом к этому является гравитация. А ключом к ней является процесс образования черных дыр. Поэтому давайте сделаем шаг назад (что в принципе неплохо, когда имеешь дело с черными дырами) и взглянем на это исключительное событие со стороны.
В главе 3 мы узнали, что, когда в ядре массивных звезд заканчивается топливо для синтеза, они взрываются. Невероятно мощные силы тяготения ядра приводят к его коллапсу, и это запускает последовательность событий, приводящих к взрыву звезды. В описании главным образом говорилось о том, что происходит с наружными слоями сверхновой, но не о том, что происходит в самом ядре. Но именно в нем кроется мощь гамма-всплесков.
Во время коллапса железного ядра зарождающейся сверхновой электроны врезаются в протоны с образованием нейтронов (а также излучаются нейтрино — главный детонатор при взрыве сверхновой). В мгновение ока все ядро звезды превращается в море нейтронов, а нормальной материи практически не остается. То, что когда-то было железным шаром диаметром в тысячи километров, стало сверхплотной нейтронной звездой, возможно, 15 км в поперечнике. Ее масса сравнима с массой Солнца, но плотность невероятно увеличилась: чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиард тонн! Это чуть больше, чем суммарная масса всех легковых автомобилей в Соединенных Штатах — представьте себе 200 млн автомобилей, спрессованных до размеров кубика сахара, и вы начнете осознавать, насколько экстремальна материя нейтронной звезды.
Невероятная масса нейтронной звезды может существовать благодаря причудливому эффекту квантовой механики, который называется вырождением (см. главу 3). Он подобен электростатическому отталкиванию — в том смысле, что одноименные заряды отталкиваются, — но в данном случае это стремление определенных субатомных частиц сопротивляться слишком сильному сжатию. Вырождение будет наблюдаться, если вы попытаетесь утрамбовать слишком много электронов, но оно также влияет на нейтральные частицы, такие как нейтроны. Это поразительно мощная сила, способная удерживать массивное ядро от дальнейшего коллапса. Коллапс ядра резко обрывается, и рождается нейтронная звезда...
...почти всегда. Оказывается, что, если масса коллапсирующего звездного ядра превышает массу Солнца примерно в 2,8 раза, даже вырождение нейтронов не в состоянии остановить этот процесс. Силы тяготения ядра слишком велики, и коллапс продолжается. Но в этот раз во всей Вселенной не найдется достаточно мощных сил, способных его остановить.
Дальше происходят настолько экзотические события, что человеческому разуму очень сложно их постичь. По мере уменьшения размеров, но не массы, объекта его силы тяготения увеличиваются. Приведем простой пример: если бы каким-то образом вам удалось сжать Землю до половины ее настоящего диаметра, но сохранить ее массу, силы тяготения, которые вы бы ощущали (и, соответственно, ваш вес), увеличились бы. Чем меньше становится Земля, тем больше ее силы тяготения.
Если бы вы захотели запустить ракету на Луну с этого нового сжавшегося шарика, вам пришлось бы сделать ее гораздо более мощной, иначе она не смогла бы преодолеть притяжение Земли. Если бы вы сжали Землю еще больше, ракете понадобилась бы еще большая мощность и так далее. В конце концов Земля бы сжалась настолько, что ее силы тяготения было бы невозможно преодолеть.
Вероятно, вы думаете, что просто нужно увеличить тягу ракеты, но, когда материя становится настолько плотной, нужно дать слово Эйнштейну. Он сформулировал постулат, согласно которому силы тяготения — это всего лишь проявление искривленного пространства. То, что вами ощущается как сила, направленная вниз, к центру Земли, это на самом деле прогиб пространства аналогично тому, как прогнулся бы матрас, если бы вы плюхнули на него шар для боулинга. Запустите стеклянный шарик катиться по кровати, и кровать под ним будет прогибаться так же, как изгибается путь астероида из-за притяжения Земли, когда он пролетает мимо нее.
Это не просто модель, не просто предположение. Последствия этого вполне реальны: если слишком много массы набито в слишком малый объем, пространство может так сильно изогнуться, что превратится буквально в бездонную яму. Вы можете туда упасть, но никогда не сможете из нее выбраться.
Объект, подобный этому, — как дыра в пространстве. Ничто не может выбраться из нее, даже свет. Так как дыра не может излучать свет, она будет черной. Как бы вы назвали такой объект?
Именно это происходит в ядре взрывающейся звезды. Если ядро слишком массивное и стабильная нейтронная звезда образоваться не может, оно коллапсирует. Прямиком к центру. Ядро сжимается в математическую точку, пространство изгибается до точки разрыва непрерывности, и рождается черная дыра.
У дыры мощнейшее притяжение. Любая материя, находящаяся поблизости, будет безжалостно затягиваться в нее. Но есть одна загвоздка. Звезды вращаются, соответственно, вращаются и их ядра. При коллапсе ядра и формировании черной дыры это вращение ускоряется, так же как фигуристка может ускорить свое вращение, прижав руки к телу. Вновь образовавшаяся черная дыра будет вращаться очень быстро, и любая материя, падающая в нее, будет так же вращаться вокруг нее, как вода, утекающая в слив. Чем ближе материя подходит к черной дыре, тем быстрее будет кружиться вокруг нее.
Поэтому материя, падающая в черную дыру, не падает в нее прямиком — плюх! — и исчезает, а спускается по спирали. Материя, находящаяся непосредственно у черной дыры, начинает скапливаться и образует уплощенный диск, называемый аккреционным диском (аккреция — это процесс накопления материи). Такое будет происходить при коллапсе любой вращающейся звезды, но модели показали, что прародители гамма-всплесков могут вращаться даже быстрее, чем обычно. Такие быстро вращающиеся объекты образуют аккреционный диск гораздо легче, чем медленнее вращающаяся звезда. А как только диск сформировался, жуткие силы тяготения черной дыры разгонят внутреннюю часть диска практически до скорости света, и даже материя, находящаяся ближе к периферии диска, все равно будет двигаться невероятно быстро.
В процессе образования черной дыры увеличиваются не только скорость вращения и сила тяготения. Звезды также обладают магнитными полями, как огромные магнитные бруски (см. главу 2). При сжатии звезды растут как сила тяготения, так и сила магнитного поля. Магнитное поле обычной звезды может быть не сильнее магнитного поля Земли: оно сможет сдвинуть стрелку компаса, но и только. Но, если вы возьмете звезду с диаметром несколько миллионов километров и сожмете ее в шарик диаметром всего несколько километров, ее магнитное поле также невероятно увеличится, становясь в миллион и даже триллион раз сильнее.
Следовательно, на любую материю, стремящуюся упасть в черную дыру, действует колдовское варево из сил. Сила тяготения пытается притянуть материю, но этому противодействует вращательный момент последней, поэтому образуется диск. При движении материи в диске магнитные поля также перекручиваются, как торнадо. И вдобавок ко всему существует старое доброе тепло, создающееся, как ни странно, чем-то знакомым среди всех этих экзотических сил: силой трения. Частицы материи в диске, бешено крутящемся под действием силы тяготения черной дыры, сталкиваются на невероятно высоких скоростях, генерируя колоссальное трение. От этого диск разогревается до миллионов градусов.
Сильное тепло стремится отвести частицы от черной дыры. Если частица пытается сместиться к внешней кромке плоскости диска, она наталкивается на другие частицы и не может сбежать. Но, если она поднимается наверх, наружу, ее больше ничто не удерживает — в том направлении находится меньше вещества. Более того, чудовищно усиленные магнитные поля также могут разгонять частицы, выбрасывая их вверх и наружу. Вместе взятые тепло и магнитные поля фокусируют пару узких пучков, как два ультра-мега-суперфонаря, склеенные друг с другом в основаниях. Эти сдвоенные пучки выстреливают вверх и вниз от черной дыры, наружу, в направлениях перпендикулярных диску.
Дальше происходит сущий ад, картина без преувеличения апокалиптическая. Через некоторое время после рождения черной дыры, когда вокруг нее образуется диск, вся та энергия — в миллиард миллиардов раз больше энергии, излучаемой Солнцем, — фокусируется в два пучка ничем не сдерживаемой мощи. В этих узких пучках сконцентрирована такая колоссальная энергия, что они вырываются из звезды в противоположных направлениях, прогрызая ее на скорости света. Через несколько секунд пучки уже достигли поверхности и вырвались на свободу. Любую материю на их пути разрывает на части, она разогревается до миллиардов градусов, распадается на составляющие субатомные частицы и разгоняется практически до скорости света. Как ни странно, но, когда пучки пробивают поверхность звезды, в каждом, вероятно, содержится материи всего на несколько сотен масс Земли — в человеческих масштабах это огромное количество, а в космических крошечное. Но это также ключевой фактор их мощности: так как общее количество материи в пучках относительно мало, она может разгоняться до невероятных скоростей.
Обреченная звезда по-прежнему окружена облаками газа, эхом извержений, происходивших до финального взрыва. Пучки из энергии и материи врезаются в них, создавая гигантские ударные волны, звуковые удары в газе, но умопомрачительных масштабов.
Ударные волны создаются и в самой струе, так как одни ее части движутся быстрее других. Когда они сталкиваются, от колоссальной энергии струи материя в ней бешено перемешивается, и возникает невообразимая турбулентность, от которой, в свою очередь, существенно увеличивается излучаемая энергия. Материя, атакуемая магнитными полями и мощнейшей энергией пучков, воспламеняется, в результате чего возникают гамма-лучи, множество лучей.
Возникает гамма-всплеск.
Пучки мчатся прочь. Позади них завершается коллапс того, что осталось от звезды, и образуется то, что в ином случае стало бы обычной сверхновой. До обнаружения гамма-всплесков сверхновые считались самым бурным, самым мощным отдельным событием во Вселенной. Но приличный гамма-всплеск может затмить даже энергию сверхновой. Поэтому астрономы придумали новое слово для описания этого события: «гиперновая».
Пройдя сквозь газ, пучки уносятся дальше, оставляя за собой сверхразогретую материю, которая начинает остывать, но продолжает испускать свет в течение некоторого времени после того, как пучки улетели. Это источник послесвечения, которое так упорно искали ученые. Материя может становиться чрезвычайно яркой — один гамма-всплеск в 2008 г. произошел на расстоянии почти 8 млрд световых лет, но его можно было видеть невооруженным глазом! Однако послесвечение быстро затухает, всего через несколько минут его яркость падает в тысячи раз. Именно поэтому раньше послесвечение в оптическом диапазоне было очень сложно зарегистрировать. Гигантские расстояния ослабляют даже титаническую энергию гамма-всплеска.
Но теперь мы знаем, что гамма-всплески создаются в гиперновой, когда взрывается массивная звезда... и мы видим, что массивные звезды есть в нашей собственной Галактике. Конечно, источники всех гамма-всплесков, которые мы когда-либо наблюдали, находились на огромном расстоянии, в миллиардах световых лет от Земли.
Но что произойдет, если один из них окажется не так далеко. Что, если одна из ближних звезд произведет гамма-всплеск?
Телепортируй меня
С объектом, внезапно обнаружившим, что он находится на пути пучков от ближнего гамма-всплеска, ничего хорошего не произойдет.
Совсем ничего.
Но прежде чем я напугаю вас до смерти, помните, что, если вы достаточно далеко, они для вас совсем не представляют опасности. Единственная причина, по которой мы в принципе можем видеть гамма-всплески, это потому, что мы находимся на пути пучков: так как в этих пучках сфокусирован весь свет гамма-всплеска, если они в нас не попадают, мы совсем ничего не видим. Поэтому, если они достаточно далеко, вы просто видите моргнувший слабый огонек, и вот он уже погас. Но если вы находитесь слишком близко...
Последствия гамма-всплеска очень похожи на последствия от вспышки сверхновой, что неудивительно. Это связанные явления, так как гамма-всплески образуются в сверхновых, и в обоих случаях излучаются огромные количества энергии в гамма-диапазоне, рентгеновском диапазоне и видимом диапазоне.
В чем их отличие, так это в способности сеять разрушения на разных расстояниях. В случае сверхновой, которая испускает излучение и материю во все стороны, эффект быстро снижается с расстоянием. Как мы видели в главе 3, на расстоянии свыше 25–50 световых лет или около того они, судя по всему, безобидны.
Но гамма-всплески — это направленные пучки. С расстоянием их блеск снижается не так быстро, поэтому даже далекие всплески опасны. Очень далекие.
Все гамма-всплески разные, и это усложняет прогнозирование. Но наблюдений уже было сделано достаточно, поэтому мы в состоянии немного усреднить и оценить последствия типового гамма-всплеска, что бы «типовой» ни значило, когда вы имеете дело с Армагеддоном, сфокусированным в смертельный луч.
Давайте опишем место действия.
Зачем ходить вокруг да около? Предположим, что гамма-всплеск произошел очень близко: на расстоянии в 100 световых лет. Даже на таком близком расстоянии диаметр пучка гамма-всплеска был бы гигантским, 80 трлн км. Это означает, что вся Земля, вся Солнечная система оказались бы поглощены им, как песчаная блоха, захваченная цунами.
К счастью, гамма-всплески длятся относительно недолго, поэтому пучок будет воздействовать на нас в течение от менее секунды до нескольких минут. Средний всплеск длится примерно десять секунд.
Это недолго по сравнению с вращением Земли, поэтому пучок ударил бы только по одному полушарию. Второе полушарие было бы в относительной безопасности... по крайней мере, в течение некоторого времени. Самые печальные последствия были бы в местах, находящихся непосредственно под гамма-всплеском (где вспышка была бы видна прямо над головой, в зените), и минимальными там, где вспышка была бы видна на горизонте. Но все равно, как мы увидим, ни одно место на Земле не было бы в полной безопасности.
Необузданная энергия, которая была бы сброшена на Землю, ошеломляет. Это больше, чем самые жуткие кошмары холодной войны: это все равно что со стороны гамма-всплеска взорвать ядерную бомбу мощностью в одну мегатонну над каждыми 2,5 км2 планеты. Этого (вероятно) недостаточно, чтобы закипели океаны или чтобы с Земли сорвало атмосферу, но разрушения были бы за гранью понимания.
Имейте в виду, все это от объекта, находящегося на расстоянии 900 трлн км.
Любой, кто бы посмотрел в момент вспышки на небо, мог бы ослепнуть, хотя пик яркости в видимом диапазоне был бы достигнут, вероятно, только через несколько секунд — достаточно для того, чтобы вздрогнуть и отвернуться. Не то чтобы это сильно помогло.
У тех, кто в тот момент был бы застигнут на улице, были бы большие проблемы. Если бы даже они не обгорели от жара — а так и было бы, — они бы мгновенно получили смертельный ожог от огромного потока ультрафиолетового излучения. Озоновый слой был бы уничтожен буквально мгновенно, и УФ-излучение как от гамма-всплеска, так и от Солнца беспрепятственно достигало бы поверхности Земли, делая ее, а также океаны на глубину до нескольких метров бесплодными.
И это только от УФ-излучения и жары. Кажется жестоким даже упоминать гораздо, гораздо худшие последствия воздействия гамма- и рентгеновского излучения.
Вместо этого давайте немного отвлечемся. Гамма-всплески — невероятно редкое явление. Хотя они, скорее всего, происходят несколько раз в день где-нибудь во Вселенной, сама Вселенная очень большая. В настоящее время вероятность того, что один из них произойдет на расстоянии 100 световых лет от нас, равна нулю. Совершенному, абсолютному нулю. Рядом с нами совсем нет звезд, которые могли бы в принципе породить гамма-всплеск. Ближайший кандидат в сверхновые находится дальше, а гамма-всплески — гораздо более редкие явления, чем сверхновые.
Полегчало? Хорошо. Теперь попробуем более реалистичный подход. Что является ближайшим кандидатом в источники гамма-всплеска?
В небе южного полушария есть ничем не примечательная для невооруженного глаза звезда. Называется она Эта Киля, или попросту Эта, тусклая звездочка в толпе более ярких звезд. Однако ее тусклый свет обманчив, за ним скрывается ее неистовство. Вообще-то она находится на расстоянии примерно 7500 световых лет — фактически это самая удаленная звезда, которую можно видеть невооруженным глазом.
Сама звезда — монстр: ее масса может составлять 100 масс Солнца или даже больше, и она излучает в 5 млн раз больше энергии, чем Солнце, — за одну секунду она испускает столько света, сколько Солнце испустит за два месяца. Периодически у Эты случаются спазмы, и она изрыгает огромные количества материи. В 1843 г. у нее случился такой бурный припадок, что она стала второй по яркости звездой в небе, даже на таком огромном расстоянии. Она выбросила гигантские количества материи, превышающие десять масс Солнца, на скорости свыше 1,5 млн км/ч. Сегодня мы видим последствия того взрыва в виде двух огромных облаков расходящейся материи, похожих на выстрел космической пушки. То событие было практически таким же мощным, как и сверхновая.
У Эты есть все признаки назревающего гамма-всплеска. Она наверняка взорвется как сверхновая, но неизвестно, будет это гамма-всплеск по типу гиперновой или нет. Также следует отметить, что, если она взорвется и испустит гамма-всплеск, ориентация этой системы такова, что пучок не попадет по Земле. Мы можем это определить по геометрии газовых облаков, выброшенных во время припадка 1843 г.: доли раздувающегося газа наклонены относительно нас под углом примерно 45°, и любые гамма-всплески были бы направлены вдоль той оси. Поясню конкретнее: в ближайшей или даже среднесрочной перспективе гамма-всплеск от Эты или еще откуда-либо нам не угрожает.
Но все равно интересно поразмышлять «а что, если». Что, если бы Эта была нацелена на нас и превратилась в гиперновую? Что бы тогда произошло?
Скажу опять, ничего хорошего. Несмотря на то что она бы даже не приблизилась по яркости к Солнцу, она была бы такой же яркой, как Луна, или даже в десять раз ярче. Вы не смогли бы смотреть на нее, не сощурившись, но такая яркость продлилась бы всего несколько секунд или минут, поэтому, вероятно, никакого долгосрочного ущерба для жизненных циклов флоры или фауны не было бы.
Поток ультрафиолетового излучения был бы интенсивным, но кратким. Люди, находящиеся на улице, получили бы солнечные ожоги умеренной степени, но, по всей вероятности, статистически значимого роста случаев рака кожи в будущем не наблюдалось бы.
Но с гамма- и рентгеновским излучением ситуация совершенно другая. Атмосфера Земли поглотила бы эти виды излучения, и последствия этого были бы гораздо хуже, чем в случае близкой вспышки сверхновой.
Самым прямым последствием был бы мощный электромагнитный импульс, гораздо мощнее, чем тот, что возник на Гавайях во время ядерных испытаний устройства Starfish Prime. В этом случае ЭМИ мгновенно разрушил бы любое неэкранированное электронное устройство в том полушарии Земли, которое было направлено в сторону всплеска. Компьютеры, телефоны, самолеты, автомобили, любой объект с электроникой перестали бы работать. Это также относится к энергосистемам: в линиях электропередачи был бы наведен огромный ток, приводящий к их перегрузке. Люди оказались бы без электричества и без каких бы то ни было средств дальней связи (оборудование всех спутников перегорело бы от гамма-излучения в любом случае). Это было бы не просто неудобством, потому что это означает, что больницы, пожарные части и другие службы экстренной помощи также остались бы без электричества.
Но, как мы увидим через мгновение, службы экстренной помощи могут нам и не понадобиться...
Последствия для атмосферы Земли были бы серьезными. Ученые пристально изучают такую ситуацию. Используя те же модели, что описаны в главе 3, и исходя из допущения, что гамма-всплеск возник на расстоянии Эты, они определили, какими будут последствия. И эти последствия совсем не радуют.
Озоновый слой подвергся бы серьезному удару. Гамма-излучение от всплеска полностью разрушило бы молекулы озона. Озоновый слой во всем мире сократился бы в среднем на 35%, причем в некоторых отдельных регионах он уменьшился бы больше чем на 50%. Это невероятно вредно само по себе — заметьте, наши сегодняшние проблемы с озоном вызваны относительно небольшим снижением, всего на 3% или около того.
Последствия этого очень длительные и могут сохраняться годами — даже через пять лет озоновый слой может оставаться на 10% тоньше. В течение этого времени на поверхности Земли УФ-излучение от Солнца было бы более интенсивным. Микроорганизмы, образующие основу пищевой цепочки, очень чувствительны к нему. Множество их погибло бы, приводя к возможному вымиранию других видов, располагающихся выше на пищевой цепи.
В довершение ко всему образовавшаяся при гамма-всплеске от Эта Киля красновато-коричневая двуокись азота (см. главы 2 и 3), существенно сократила бы количество солнечного света, достигающего Земли.
Точные последствия этого определить сложно, но кажется вероятным, что уменьшение количества солнечного света на всей Земле даже на несколько процентов (двуокись азота распространилась бы по всей атмосфере) привело бы к значительному остыванию Земли и могло бы, предположительно, стать инициирующим фактором для ледникового периода.
Помимо этого, в той химической смеси, которую представляли бы кислотные дожди, содержалось бы достаточно азотной кислоты, и это также, теоретически, имело бы опустошительные последствия для окружающей среды.
Далее, есть проблема с субатомными частицами (космическими лучами) от всплеска. Какой ущерб был бы от них, конкретно неизвестно. Но, как мы обсуждали в главах 2 и 3, высокоэнергетические частицы могут приводить к самым разнообразным последствиям на Земле. Гамма-всплеск на расстоянии 7500 световых лет запустил бы огромное количество субатомных частиц в нашу атмосферу, и они бы летели на скорости чуть менее скорости света. Всего через несколько часов после возникновения всплеска они уже ворвались бы в нашу атмосферу, пролившись ливнем из мюонов. Мы постоянно наблюдаем прилетающие из космоса мюоны, но в небольших количествах. Однако ближний гамма-всплеск сгенерировал бы массу мюонов. Одна группа астрономов рассчитала, что на поверхность Земли обрушилось бы до 46 млрд мюонов на см2 по всему полушарию, направленному на всплеск. Кажется, что это очень много — ну да, так и есть. Эти частицы пролились бы каскадом с неба и были бы поглощены всем, что окажется у них на пути. Учитывая, насколько хорошо ткани тела могут поглощать мюоны, астрономы, выполнившие расчет, обнаружили, что ничем не защищенный человек получил бы дозу облучения, в десятки раз превосходящую смертельную. Прятаться не сильно поможет: мюоны могут проникать в воду на глубину почти 2 км и до 800 м в скальные породы! Поэтому пострадало бы практически все живое на Земле.
Так что разрушение озонового слоя не было бы такой уж большой бедой. К тому времени, как оно превратилось бы в проблему, большинство животных и растений на Земле уже давно были бы мертвы.
Это кошмарный сценарий, описанный в начале этой главы. Однако прежде, чем вы начнете паниковать, вспомните: возможный гамма-всплеск Эты Киля наверняка будет направлен не в нашу сторону. Но, пока мы не закруглились, скажу, что есть и другой возможный прародитель гамма-всплеска, о котором нам нужно помнить. Он называется WR 104 и по совпадению находится примерно на таком же расстоянии от нас, что и Эта. WR 104 — двойная система, одна из звезд которой — раздувшаяся массивная зверюга, приближающаяся к концу своей жизни. Она может взорваться, испустив гамма-всплеск, и может быть направлена более или менее на нас, но оба этих предположения неточные. По всей вероятности, этот монстр нам также не угрожает, но о нем стоит упомянуть.
Это было недавно, это было давно
Итак, похоже, сейчас нам ничто не угрожает, и это хорошо. Вероятность того, что поблизости произойдет гамма-всплеск, крайне мала... но Земле уже много лет. Возможно ли, что в прошлом нам доставалось от подобных явлений?
С точки зрения статистики довольно вероятно, что когда-то в прошлом по Земле попадал пучок гамма-излучения от относительно близкого всплеска. Хотя сверхновые — достаточно распространенное явление, они опасны для нас, только если находятся близко. Гамма-всплески случаются намного реже, но они опасны на гораздо больших расстояниях. Согласно некоторым исследованиям, какой-нибудь гамма-всплеск возникает на опасном для Земли расстоянии один раз за несколько сотен миллионов лет или около того.
Оказывается, что могут даже иметься свидетельства одного такого события в прошлом Земли. Конец эпохи динозавров, возможно, самый известный эпизод массового вымирания в истории, но оно не было крупнейшим. Примерно 440 млн лет назад завершился ордовикский период, когда с лица Земли было стерто до половины всех видов жизни. Все произошло быстро, и, судя по всему, это были два отдельных события, разделенные, возможно, миллионом лет. Причина этого долгое время оставалась загадкой для ученых.
Мог ли гамма-всплеск стать детонатором этого массового вымирания? Существует множество заманчивых подсказок. При гамма-всплеске есть все основания предполагать, что УФ-облучение более негативно скажется на животных и растениях, обитающих у поверхности океанов, чем на глубоководных существах. И свидетельства этому находятся в палеонтологии. У трилобитов, этих любопытных, похожих на крабов животных, доминировавших в океанах в то время, есть стадия личинки. По-видимому, во время события, вызвавшего массовое вымирание, личинки, жившие у поверхности воды, пострадали больше тех, которые жили в глубине. Следовательно, то, что вызвало внезапное вымирание, чем бы оно ни было, вероятно, пришло сверху, с неба. Более того, риск вымирания был также выше для животных с более длительными стадиями личинки в жизненном цикле, чем для тех, у которых стадия личинки была короче. Оба этих факта согласуются с внезапным ростом интенсивности УФ-излучения, которое могло причинять вред на мелководьях, но не в глубоких местах. Животные с более длительными стадиями личинки поглотили бы больше опасного УФ-излучения и погибли бы преимущественно от него.
Что интересно, такие закономерности не наблюдаются в других явлениях массового вымирания, а это говорит о том, что причина ордовикского вымирания была необычной. Гамма-всплескам можно дать много определений, но «необычные» было бы на одном из первых мест в списке.
Второе ордовикское массовое вымирание было связано с быстрым охлаждением Земли и последующим обледенением. Это также согласуется с последствиями ближнего гамма-всплеска: ливень космических лучей и последующий рост содержания двуокиси азота в атмосфере внесли бы свой вклад в возможное глобальное похолодание. Действительно, некоторые исследователи обнаружили, что в то время глобальное оледенение на Земле не могло произойти без какого-либо «инициирующего события», то есть некоего внешнего механизма, запустившего его. Вероятно, этим событием был гамма-всплеск.
Это интересное свидетельство, возможно даже убедительное, но не достаточное. Как обычно, требуются дополнительные исследования. Но оно дает повод призадуматься о том, что событие, произошедшее тысячи лет назад и на расстоянии триллионов километров, может иметь такие серьезные последствия для жизни на Земле.
Излучая уверенность
Стоит ли нам волноваться о гамма-всплесках?
Один из ответов — нет, поскольку в случае гамма-всплеска мы ничего не сможем сделать. А так как гамма-излучение движется со скоростью света — это на самом деле свет, — мы не получим буквально никаких предупреждений о том, что к нам направляется пучок. Так что, зачем волноваться?
С другой стороны, вполне возможно, что в принципе не о чем волноваться.
Почти каждый когда-либо наблюдавшийся гамма-всплеск приходил из невероятно далекой галактики. Но в астрономии расстояние — это то же, что время: чем дальше вы смотрите, тем более далекое прошлое вы видите. Когда мы наблюдаем гамма-всплеск в галактике, находящейся на расстоянии 9 млрд световых лет, мы видим ту галактику такой, какой она была 9 млрд лет назад. Гамма-всплески были частым явлением в прошлом, но по мере старения Вселенной они случаются все реже и реже.
Это важно, потому что галактики со временем меняются. На ранних этапах своей жизни галактики содержат меньше тяжелых элементов, таких как кальций, железо и кислород; эти элементы создаются в сверхновых и после их вспышек разносятся по галактикам, а на это требуется время. Оказывается, что умирающие звезды, содержащие меньше тяжелых элементов, легче генерируют гамма-всплески. А так как, благодаря прошлым поколениям сверхновых, большинство массивных звезд, образующихся в настоящее время, имеют в своем составе много тяжелых элементов, у них меньше шансов выдать гамма-всплески.
Более того, чтобы при взрыве испустить гамма-всплеск, звезда должна быстро вращаться перед коллапсом, иначе может не образоваться аккреционный диск, который питает пучки. Оказывается, звезды с более высоким содержанием тяжелых элементов, как правило, вращаются не настолько быстро. Но это не потому, что элементы более массивные! Более тяжелые элементы лучше поглощают свет, исходящий из внутренних областей звезды, чем более легкие. Поэтому звезда, в газе которой много тяжелых элементов, горячее и ярче, чем звезда с меньшим содержанием тяжелых элементов. Благодаря этому частицы на поверхности звезды легче уносятся звездным ветром — эквивалентом солнечного ветра, но исходящим не от Солнца, а от другой звезды.
Покидающие звезду частицы подхватывает вращающееся магнитное поле звезды. И это создает эффект парашюта, который, в свою очередь, замедляет вращение звезды: представьте, что вы кружитесь вокруг себя, держа в руке открытый полиэтиленовый пакет; пакет захватывает воздух и тормозит ваше вращение из-за возникающего сопротивления. То же происходит и со звездами: со временем их вращение замедляется, потому что магнитное поле оказывает сопротивление звездному ветру. Собственно, именно поэтому Солнце оборачивается вокруг себя всего один раз за месяц. Вероятно, когда оно было молодым, оно крутилось гораздо быстрее, но за миллиарды лет солнечный ветер, прорываясь сквозь магнитное поле, замедлил его вращение.
Поэтому звездный ветер сильнее у звезд, в которых много тяжелых элементов, и они, как правило, вращаются медленней. Обратное утверждение — звезды, в которых меньше тяжелых элементов, как правило, вращаются быстрее, — означает, что звезды, которые родились на более ранних этапах жизни Вселенной, дадут больше гамма-всплесков, чем звезды, родившиеся не так давно. Главная идея всего этого в том, что гамма-всплески от гиперновых — взрывающихся массивных звезд — будут сегодня более редкими явлениями, чем в далеком прошлом.
Другими словами, вам не нужно так уж сильно волноваться о них.
Коротко, но не ясно
Значит нам, уютно устроившимся в Галактике, которой 12 млрд лет, с ее тяжелыми элементами и медленно вращающимися звездами, такая форма гибели не грозит?
Может быть. А может, и грозит. Если помните, существует два разных вида гамма-всплесков: одни длятся больше двух секунд, а другие короче. Те, что возникают при коллапсе ядра массивной звезды, — это длинные гамма-всплески. А что насчет коротких?
В понимании коротких всплесков важную роль сыграли два спутника NASA. Миссии «Исследователь кратковременных высокоэнергетических событий — 2» (High Energy Transient Explorer 2, HETE-2) и Swift зарегистрировали десятки коротких гамма-всплесков. Эти обсерватории помогли астрономам сформулировать идею, что короткие гамма-всплески могут происходить при слиянии двух плотных нейтронных звезд. Нейтронная звезда образуется, когда ядро звезды, превращающейся в сверхновую, недостаточно массивно, и из него не может образоваться черная дыра. Во многих случаях массивные звезды образуются парами и обращаются вокруг друг друга. В нашей Галактике наблюдается много таких пар очень массивных звезд. Со временем более массивная звезда взорвется и превратится в нейтронную звезду. Позднее взрывается и вторая звезда, также превращаясь в нейтронную звезду.
Под воздействием разных сил миллиарды лет спустя орбиты двух звезд сожмутся. Два сверхплотных объекта будут все сильнее и сильнее сближаться по спирали... а затем наконец они подойдут друг к другу так близко, что буквально сольются воедино. Их суммарной массы может оказаться достаточно для того, чтобы возникла черная дыра, а если еще останется достаточно материи, она образует аккреционный диск. В этот момент события похожи на те, что происходят в ядре массивной звезды, когда она взрывается: аккреционный диск, невероятные магнитные поля, и мощные силы тяготения черной дыры фокусируют двойные пучки, вырывающиеся наружу.
Модели таких событий показывают, что эти всплески гамма-излучения были бы гораздо короче по длительности, чем гамма-всплески от массивной звезды, и это гамма-излучение было бы более мощным. Оба этих прогноза соответствуют наблюдениям. Существуют и другие модели, полученные в результате наблюдений (например, двойная система «черная дыра — нейтронная звезда» с похожими результатами), но это преобладающая теория.
Главное отличие между гамма-всплесками от слияния нейтронных звезд и от массивной звезды, превращающейся в гиперновую, — это время до возникновения всплеска: если сегодня мы почти не ожидаем увидеть гамма-всплески от гиперновых, то гамма-всплесков от слияния нейтронных звезд должно быть много. Сближение орбит двух нейтронных звезд, приводящее к их слиянию, продолжается миллиарды лет, поэтому такие явления должны происходить и в наши дни. Все это вполне может быть так, но в абсолютных цифрах двойные нейтронные звезды гораздо менее распространены, чем их более массивные коллеги. Это может объясняться их довольно редким происхождением — существует гораздо больше отдельных массивных звезд, которые могут взорваться, чем двойных массивных звезд, — поэтому сложно понять, сколько потенциальных источников коротких гамма-всплесков имеется в нашей Галактике. Мы знаем множество двойных нейтронных звезд, каждая из которых может стать источником коротких всплесков жесткого гамма-излучения... еще через несколько миллиардов лет. О таких, которые могли бы испустить гамма-всплески через сто, или тысячу лет, или даже в следующий миллион лет, нам неизвестно. Но, в отличие от массивных звезд, невероятно ярких и заметных, двойные нейтронные звезды испускают очень мало света, и их сложно обнаружить.
Крайне маловероятно, что на опасном расстоянии от нас есть такие. Но полностью исключить это также невозможно.
Яркое будущее
Как всегда, что нам нужно, так это больше наблюдений. Так как гамма-всплески — это самые мощные взрывы из тех, что мы знаем (и, вероятно, самые мощные, на которые способна Вселенная), они представляют большой научный интерес. Они очень много говорят нам о том, что происходит с материей и энергией на крайних пределах энергий, как рождаются и ведут себя черные дыры, а также об их окружении. Разумеется, нам еще многое неизвестно о гамма-всплесках. Со времени спутников Vela мы прошли большой путь; в 2004 г. NASA запустило спутник Swift, столь важный для понимания происхождения коротких всплесков жесткого излучения. И он зарегистрировал сотни гамма-всплесков, включая тот, что пришел с расстояния 12,8 млрд световых лет, самый дальний из всех когда-либо наблюдавшихся. Наблюдения спутника Swift дали глубокое понимание как длинных, так и коротких всплесков, добавив столь необходимые данные к теоретическим моделям.
Когда мы узнаем больше о гамма-всплесках, мы сможем точнее оценить опасность, которую они представляют, в том числе как они могли влиять на жизнь на Земле в прошлом. Несмотря на то что в случае гамма-всплеска, вероятно, мы ничего не сможем сделать — очень маловероятно, что он вообще случится, — всегда лучше иметь хорошее представление о ситуации.
Так что, нужно беспокоиться? Меня постоянно об этом спрашивают, и мой ответ простой: я знал людей, которые погибли при самых маловероятных обстоятельствах, включая автомобильные аварии, и одного, который погиб от удара молнии. А сколько людей, убитых гамма-всплеском, знаете вы?
