Глава 18. Космические лучи

В космических лучах наблюдали ряд странных, не объясненных до сих пор явлений, в частности события, получившие названия кентавров…

Л. Б. Окунь.

Физика элементарных частиц

Астрофизики полагают, что галактические лучи – это частицы вещества родом из «отгоревших» квазаров, галактик, в которых есть сверхмассивные черные дыры, которые некогда были звездами и сияли с невероятной яркостью.

Одна из нерешенных задач астрофизики – природа космических лучей сверхвысокой энергии. Космические лучи – это элементарные частицы (иногда ядра), попадающие на Землю из космоса. Они имеют некое распределение по энергии, что и неудивительно: ведь такие частицы могут появляться в совершенно разных астрофизических явлениях. Однако высокоэнергетическая часть спектра космических лучей вызывает много вопросов у астрофизиков. Дело в том, что элементарные частицы очень высокой энергии, распространяясь в межгалактической среде, должны очень эффективно взаимодействовать с микроволновым космическим излучением, которое пронизывает всю Вселенную. Другими словами, для столь энергетичных частиц Вселенная должна быть непрозрачной, мутной средой. То есть таких частиц наблюдаться не должно!

Однако они наблюдаются! Как такое может быть? Выход только один: источник этих частиц находится не так далеко от нас, где-то в нашем скоплении галактик, но никак не на космологических расстояниях. Однако наше скопление галактик более-менее изучено и… не очень ясно, где прячется этот источник.

Некоторые физики считают, что энергетический спектр космических лучей не противоречит предположению о том, что источник этих лучей – сверхмассивные метастабильные элементарные частицы, блуждающие по Вселенной и иногда забредающие в нашу Галактику или скопление галактик.

В самых больших масштабах вещество во Вселенной распределено почти равномерно, но в меньших делениях существуют большие неоднородности. Звезды могут образовывать двойные системы, входить в число скоплений или ассоциаций. Крупнейшим объединением звезд является галактика. Но и сами галактики редко встречаются по одиночке. Из числа ярких более 90 % входит или в число групп галактик, содержащих лишь несколько ярких членов, как, например, Местная группа, или в число скоплений галактик, содержащих от нескольких сотен до нескольких тысяч членов.

Ливни космического излучения

В октябре 1963 года США запустили спутниковую программу контроля выполнения Договора о запрете ядерных испытаний в атмосфере и космосе. Основу космического мониторинга составили спутники «Вела» (от исп. Vela – «вахта», «дозор», «смотреть»). За всю историю программы детекторы спутников зарегистрировали лишь один след ядерного взрыва на поверхности Земли. Этот случай, получивший название «Инцидент Вела», или «Южно-Атлантический проблеск», произошел в Южной Атлантике, когда спутниковые детекторы зафиксировали серию гамма-всплесков, характерных для взрыва ядерного заряда мощностью в несколько килотонн. Долгое время считалось, что сателлит напал на след совместного проекта ЮАР и Израиля по разработке ядерного оружия. Однако после смены власти в ЮАР и рассекречивания многих документов эксперты стали склоняться к версии, что гамма-вспышка была связана с падением крупного метеорита.

Тем не менее спутникам-наблюдателям удалось сделать крупнейшее астрономическое открытие, зафиксировав всплески гамма-излучения в далеких глубинах космоса.

В марте 1969 года при обработке поступающей из космоса информации, американские специалисты обратили внимание на то, что пара спутников-близнецов серии Vela-4 еще в 1967 году зарегистрировала два непродолжительных импульса гамма-излучения. Детальный анализ показал, что они явно не походят ни на отголоски взрыва сверхновой звезды, ни на солнечные вспышки и меньше всего напоминают следы наземных ядерных испытаний. Новой серии усовершенствованных «смотрящих» сателлитов Vela-5 уже удалось отследить 16 подобных вспышек. И вскоре на страницах Astrophysical Journal Leters появилась статья астрофизиков Рея Клибсадела, Роя Олсона и Йена Стронга, сообщивших об уникальном космическом явлении. Так возникло новое научное направление в физике космоса, связанное с исследованием гамма-всплесков (гамма-вспышек или гамма-барстеров – cosmic gamma-ray bursts (GRB).

Таинственная природа этих коротких ярких вспышек до сих пор горячо обсуждается астрофизиками. Гамма-излучения являет те же рентгеновские лучи, только очень высокой энергии, поэтому иногда гамма- и рентгеновские вспышки фиксируются вместе.

Вскоре после открытия этого необычного феномена выяснилось, что вспышки происходили в глубоком космосе и являются откликом мощнейших взрывов в далеких галактиках. Гамма-всплески являют собой великую тайну современной астрономии. Примерно раз в сутки гамма-небо освещается гамма-излучением от необычного взрыва. Никто пока не знает ни истинных причин этих взрывов, ни расстояния, на котором они происходят. Еще более поразительна карта, включающая тысячи подобных выбросов энергии, составленная в галактических координатах.

На карте видны странные дуги и линии, которые астрономы объясняют наложением изображений в диске нашей Галактики и в иных галактиках. Однако после недавнего пересмотра шкалы расстояний выяснилось, что большинство вспышек лежит на расстоянии нескольких миллиардов световых лет.

Поражают масштабы космических взрывов, совершенно несоизмеримые с земными, даже самыми мощными термоядерными испытаниями. Энергия типичного гамма-всплеска, зарегистрированного в далекой галактике, эквивалентна десяткам или даже сотням вспышек сверхновых звезд, каждая из которых щедро разбрасывает такую колоссальную энергию, которую наше Солнце излучает за многие сотни миллионов лет!

На сегодняшний день среди астрофизиков устоялось мнение, что возникновение длинных гамма-всплесков связано со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд.

Гравитационный коллапс – это безудержное падение «внутрь самого себя» у небесных тел с нарушенным балансом веса внешних слоев и сдерживающим его внутренним излучением. Такие взрывы оставляют после себя или черные дыры, или магнетары – сильно намагниченные, быстро вращающиеся нейтронные звезды – астрономические объекты, являющиеся одним из конечных этапов звездной эволюции. Магнетары выбрасывают излучение как два противоположно направленных прожектора – вдоль узких конусов по оси вращения гибнущей звезды.

В случае коротких гамма-вспышек популярна модель столкновения намагниченных нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести и постепенно сближающихся из-за потери энергии, уносимой гравитационными волнами.

Для самых коротких гамма-барстеров предлагается гипотеза о «схлопывании» черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва и доживших до современной эпохи. Такие дыры в теории должны непрерывно испускать излучение, теряя массу и, как это ни парадоксально, не охлаждаясь, а нагреваясь. В конце концов такой коллапсар должен взорваться, излучая очень энергичные гамма-кванты. Массивные черные дыры, наподобие тех, что притаились в ядрах галактик, испаряются очень медленно, но миниатюрные коллапсары могут взрываться как раз в нашу эпоху, так что их гамма-излучение можно будет легко зарегистрировать, если они находятся не далее нескольких световых лет.

Есть и еще один вариант для сверхкороткой генерации гамма-потоков коллапсарами просто небольших масс. В этом случае надо, чтобы черная дыра нагрелась до триллиона градусов. Тогда обычная материя в ее окрестностях превратится в кваркглюонную плазму, из которой когда-то состояла новорожденная Вселенная. Это напоминает фазовый переход первого рода: при замерзании воды в лед. Здесь должна выделиться колоссальная энергия сверхкороткого гамма-барстера, фиксируемого уже на расстоянии в десятки световых лет.

Не так давно астрономический мир облетела сенсация: возможно, на поверхности нашей планеты обнаружены следы мощнейшего космического гамма-взрыва из известных нам в истории Вселенной. Следы феноменальной по мощности гамма-вспышки были найдены в археологических слоях VIII века нашей эры. Исследуя годовые кольца кедров и пробы полярных льдов, ученые определили, что выброс энергии мог достичь Земли в 774 или 775 году нашей эры. Вначале был выявлен необычно высокий уровень радиоактивного изотопа углерода-14 в древних японских кедрах, а затем в приполярных льдах Антарктиды был обнаружен аномальный уровень изотопа бериллия-10. Обычно эти элементы образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей высокой энергии, а значит, в указанный период на нашу планету из космоса попал поток сверхвысокоэнергичных гамма-квантов.

Итоговые результаты исследований «средневекового барстера» были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, где сделано предположение, что гамма-взрыв произошел из-за слияния двух черных дыр или нейтронных звезд в нашей Галактике. Теория действительно предсказывает, что столкновение двух черных дыр, сверхновых звезд либо белых карликов должно сопросождаться мощнейшими выбросами гамма-излучения, однако астрономическое сообщество до сих пор не сошлось во мнении о том, какой именно из космических источников ответствен за открытое явление.

Вначале астрофизики склонялись к мнению, что причиной высокого уровня изотопов в древних кедрах и полярных льдах стала вспышка сверхновой звезды, однако затем эта гипотеза была признана несостоятельной, поскольку любая сверхновая оставляет после себя газопылевой «саван» с усопшей звездой типа белого карлика.

Среди возможных причин колоссального гамма-барстера фигурирует и супервспышка на Солнце с необычайно высоким выбросом энергии. Но и тут слышатся весомые возражения, основанные на том, что выделившаяся даже в супервспышке энергия не может объяснить аномально высокий уровень углерода-14 и бериллия-10 в недрах и льдах.

Следующая версия повышенного содержания изотопов в земной коре основывалась на неком очень мощном взрыве, произошедшем в глубинах нашей Галактики Млечный Путь. Сторонники этой гипотезы утверждают, что анализ спектра коротких гамма-всплесков показывает: они в целом соответствуют скорости образования углерода-14 и бериллия-10. Такие астрономические события должны быть в сотни раз ярче сверхновых звезд и в миллион триллионов раз ярче Солнца, причем «средневековый барстер», скорее всего, находился в пределах от 3 до 12 тысяч световых лет от Земли.

Хотя гамма-взрыв VIII века был исключительно мощным, средневековое население нашей планеты вряд ли заметило его последствия. Во всяком случае, до сих пор не найдено каких-либо письменных указаний на это событие, и это в первую очередь подтверждает, что в структуре вспышки отсутствовала видимая часть спектра.

Между тем, даже если гамма-вспышка произошла на таком незначительном (по астрономическим меркам) расстоянии, атмосфера нашей планеты вполне была способна поглотить львиную долю дошедшей до нее радиационной волны, оставив лишь след из изотопов.

Современные орбитальные гамма-обсерватории накопили солидную статистику гамма-взрывов, которая показывает, что данное явление происходит достаточно редко. Так, в каждой из галактик гамма-барстеры вспыхивают не чаще чем раз в десять тысячелетий, а может быть, и раз в миллионолетие.

В общем, подавляющее большинство астрономов сходится на том, что в скором будущем гамма-взрыв в ближайшем галактическом окружении Земли крайне маловероятен. Однако, даже если такое событие произойдет, его воздействие на организм человека будет едва ли ощутимым. Впрочем, может возрасти вероятность заболевания раком кожи при длительном нахождении на открытом воздухе без верхней одежды.

Гораздо больше может пострадать техносфера, ведь гамма-импульс «средневековой» энергии легко выведет из строя радиоэлектронное оборудование множества спутников.

А вот если подобный выброс гамма-квантов случится на близком расстоянии в несколько сотен световых лет, возникнет реальная угроза частичного или даже полного разрушения озонового слоя, что, несомненно, будет представлять большую опасность для всего живого на нашей планете.