za_neptunie (za_neptunie) wrote,
za_neptunie
za_neptunie

Найдено одно из последних звеньев в теории больших слияний Вселенной?



     Самой большой интригой ожидаемого объявления о первой регистрации гравитационных волн был вопрос о том, были ли обнаружены его следы в электромагнитном диапазоне. По распространенной теории, гамма-всплески являются результатом слияния нейтронных звезд и черных дыр. По первым сообщениям выходило, что никаких следов источника гравитационных вол в электромагнитном спектре обнаружено не было. Однако теперь появилась информация, что всё-таки это не так. Сергей Попов случайно нашел препринт публикации о регистрации события в гамма-лучах космической обсерваторией Fermi.

       Данное обнаружение очень значимо с научной точки зрения. Оно может впервые доказать, что короткие гамма-всплески являются результатом слияния черных дыр. Подобные слияния должны быть одним из нескольких главных видов слияния астрономических объектов, происходящих во Вселенной. Перечислим основные их типы:

1)      Слияния обычных звезд




      Около половины звезд в нашей галактике входят в состав двойных или более многочисленных систем. Некоторых из них находятся на очень тесных орбитах. Рано или поздно некоторые звезды должны сливаться в одну звезду, по причине торможения в протяженных оболочках друг друга. Такие события уже наблюдались.



     2 сентября 2008 года в созвездии Скорпиона вспыхнула яркая Новая. Она получила обозначение Новая Скорпиона 2008. Данная звезда в максимуме достигла 7-ой звездной величины и поначалу казалась обычной Новой. Но затем изучение архивной фотометрии резко изменило мнение ученых об этой звезде. Так как вспышка случилась на плотных звездных полях галактики, то она попала в поле зрения проекта OGLE по поиску микролинзовых событий. В результате изучения многих тысяч снимков этого проекта выяснялось, что звезда увеличивала свой блеск не резко, а плавно, в течение нескольких десятков суток:



   В целом же удалось проследить за изменениями в блеске звезды, начиная с 2001 года:



     Изучение этих данных показало ещё более удивительную деталь. Оказалось, что звезда показывает периодические изменения в блеске – с периодом равным примерно одним суткам. Кроме того выяснилось, что период этих колебаний с течением времени быстро уменьшался:



     После вспышки была произведена попытка найти подобную периодичность. Она закончилась неудачей. Поэтому был сделан вывод, что единственным реалистичным сценарием объяснения произошедшего является гипотеза слияния двух звезд в одну.


2)      Слияния белых карликов



     Любая звезда рано или поздно умирает. Если её масса меньше 1.4 масс Солнца, то она через стадию красного гиганта становится белым карликом. Такие звезды также должны образовывать двойные системы. Сначала в 1967 году были обнаружены тесные системы типа AM Гончих Псов, в которых был лишь один белый карлик. Спустя 20 лет был обнаружен двойной белый карлик с периодом обращения всего в 1.5 дня. Постепенно астрономы обнаруживали всё более тесные подобные системы. В 1998 году была обнаружена система белых карликов с периодом обращения всего в 39 минут. Ожидается, что звезды в ней сольются в одну через 37 миллионов лет.



     Ученые рассматривают два варианта последствия слияния таких звезд. По первому из них появляется обычная звезда, по второму происходит взрыв сверхновой первого типа. К сожалению, проверить ни одну из этих версий пока невозможно. Даже самые яркие сверхновые, которые наблюдаются в наше время, находятся в далеких галактиках. Поэтому даже в лучших случаях на месте вспыхнувших сверхновых удаётся рассмотреть лишь слабо видимую звезду.



3)      Слияния нейтронных звезд и черных дыр звездных масс

    Если масса звезды значительно превышает порог в 1.4 масс Солнца, то она заканчивает свою жизнь уже не безобидной стадией красного гиганта, а сверхмощным взрывом сверхновой. Если звезда не сильно превышает этот порог, то образуется нейтронная звезда – объект размером всего лишь в несколько километров. В случае же многократного превышения порога, образуется черная дыра – объект, у которого вторая космическая скорость превышает скорость света.





    Существование нейтронных звезд и черных дыр было предсказано теоретиками за несколько десятилетий до их открытия. Образуют ли они двойные системы? Теоретически это могло показаться маловероятным, так как взрыв сверхновой характерен большой потерей массы и, следовательно, двойная система должна дестабилизироваться. Однако всего через 7 лет после открытия первого пульсара (нейтронной звезды) была обнаружена первая двойная система нейтронных звезд. Её открытие оказалось настолько значимым, что за нее дали Нобелевскую премию (было обнаружено уменьшение периода системы, согласующееся с потерями из-за гравитационного излучения). В 2003 году был обнаружен первый двойной пульсар с периодом обращения в 2.4 часа. Ожидается, что через 85 миллионов лет обе нейтронные звезды сольются в одну.



    Одновременно с открытием пульсаров были открыты загадочные гамма-всплески. Поначалу их не удавалось обнаружить в других диапазонах электромагнитного излучения. Это не позволяло оценить даже порядок расстояния до них. Лишь в 1997 году впервые удалось обнаружить оптическое послесвечение гамма-всплеска и измерить его красное смещение. Оно оказалось огромным, во много раз превышающим расстояние до самых далеких сверхновых. Отсюда следовал вывод об огромной мощности подобных взрывов:

В начале мая 1998 года, точнее вечером 6-го мая, в США и по электронным каналам (Интернет) был распространен пресс-релиз НАСА, в котором сообщалось об измерении коллективом американских и итальянских астрономов на 10-м телескопе им. Кека (США) красного смещения слабой галактики, которая видна на месте гамма-всплеска GRB 971214, зарегистрированного итало-голландским спутником BeppoSAX 12 декабря 1997 г. Официальная науная информация появилась в виде серии статей в номере журнала "Nature" от 7 мая 1998 г. (Kulkarni S.R. et al., Nature, 393, 35; Halpern et al., Nature, 393, 41; Ramaprakash A.N. et al., Nature, 393, 43). Красное смещение в спектре этой галактики оказалось крайне большим, z=3.418, т.е. свет от нее был испущен в момент, когда возраст Вселенной составлял всего 1/7 от современного значения (12 млрд. лет). Фотометрическое расстояние до этой галактики определяется по красному смещению и равно 10^28 см. Затем по измеренной на Земле освещенности гамма-излучения от этого всплеска (10-5 эрг см-2 в диапазоне энергий >20 кэВ) можно восстановить полное энерговыделение: в одном только гамма-диапазоне оно оказалось невероятно большим, 10^53 эрг. Эта энергия составляет 20% от энергии массы покоя Солнца  и в 50 раз превосходит всю энергию, которая излучится Солнцем за все время его существования. И все это - за те  30 с, которые длился гамма-всплеск! Пиковая светимость (энерговыделение) в течение нескольких сотых долей секунды составила 10^55 эрг/с, что соответствует электромагнитной светимости половины всех звезд Вселенной. Поразительное явление, не правда ли? Чтобы еще больше заинтриговать читателя авторы делают оценку максимальной плотности энергии вблизи места этого энерговыделения и показывают, что она сравнима с той, которая имела место в горячей Вселенной спустя 1 с после начала расширения ("Большого Взрыва"), в эпоху первичного нуклеосинтеза.



   Среди теоретиков мнение насчет источников такого мощного источника энергии было почти единодушным:

Итак, твердо встав на позицию космологичекой природы гамма-всплесков, требуется объяснение столь высокому энерговыделению в виде электромагнитного излучения, форме и временному поведению спектров самих гамма-всплесков и их рентгеновских, оптических и радио двойников, частоты происхождения и т.д. Как упоминалось выше, слияния двух компактных звезд (нейтронных звезд или черных дыр) безраздельно претендовали на роль источника энергии гамма-всплесков. Детали этой модели крайне плохо изучены ввиду сложности физических процессов при таком событии. Повторяем, основной аргумент сводился к достаточности потенциально выделяемой энергии (10^53 эрг), достаточной частоты событий (в среднем около 10^-4 - 10^-5 в год на галактику) и реальному наблюдению по крайней мере 4 двойных нейтронных звезд в виде двойных радиопульсаров, невидимая звезда в которых имеет массу около 1.4 массы Солнца (типичная масса нейтронной звезды) и крайне компактна.

     Однако до сегодняшнего дня это были лишь предположения, дополненные обнаружением некоторых косвенных признаков. Всё меняется с недавней публикацией. Из неё следует, что прибор GBM (Gamma-ray Burst Monitor) спутника Fermi всего через 0.4 секунды после регистрации гравитационной волны наблюдал слабый гамма-всплеск продолжительностью в одну секунду. Сигнал пришелся на туже область, что и источник гравитационной волны. Более того, обнаружение гамма-всплеска позволяет сузить район события с 601 до 199 квадратных градусов. Событие смотрится статически достоверным (SNR=5.1) по причине того, что площадь наблюдения прибора GBM составляет 70% площади неба.



    Конечно, нельзя на 100% быть уверенным в правильной интерпретации события. Так пока не известно ни одной достоверной двойной системы черных дыр звездных масс. Обычно двойные системы, в которой есть черные дыры, обнаруживают по рентгеновскому излучению. Для наличия такого излучения необходимо, чтобы хотя бы один из участников двойной системы являлся обычной звездой – донором вещества, для аккреционного диска.



     Регистрация слабого и короткого гамма-всплеска от слияния черных дыр ставит множество вопросов насчет происхождения подобного электромагнитного излучения. Как известно, вторая космическая скорость у черных дыр превышает скорость света. Возможно несколько вариантов:

А) Гамма-излучение вызвано поглощением аккреционного диска черных дыр или межзвездного вещества. Тот факт, что гамма-всплеск получился слабым говорит о том, яркие и короткие гамма-всплески порождаются столкновениями нейтронных звезд, где есть больше вещества для превращения в гамма-излучение.

Б) Излучение вызвано каким-то неизвестным явлением, которое все же позволяет разогнаться веществу в черных дырах при слиянии до скоростей выше скорости света (то есть покинуть черную дыру). Аналогом такого излучения может быть гипотетическое излучение Хокинга.





    Очевидно, что решение этого вопроса может привести к грандиозному прогрессу в физике. В ближайшие годы гравитационные детекторы по мере улучшения чувствительности должны увеличить своё угловое разрешение и тем самым упростить идентификацию источников гравитационных волн с электромагнитным излучением.

4)      Слияния сверхмассивных черных дыр

   Так как большинство теоретиков считают, что ничто не может покинуть черную дыру (вторая космическая скорость превышает скорость света), то очевидно, что черные дыры должны расти с течением времени. Ожидается, что в плотных звездных скоплениях (вроде шаровых скоплений) они вырастают до нескольких тысяч масс Солнца, а в центральных областях галактик достигают массы в несколько миллиардов или даже триллионов масс Солнца.



   Некоторые из этих сверхмассивных черных дыр входят в двойные системы. И такие системы уже обнаружены. К настоящему времени известны не только двойные, но даже тройные и четырехкратные системы сверхмассивных черных дыр. Некоторые из таких систем являются очень тесными. Так в одной из них период обращения черных дыр составляет пять лет. Ожидается, что слияние этих черных дыр случиться меньше чем через миллион лет. При этом должна выделиться энергия, которая в сто миллионов раз превышает энергию обычной сверхновой.



    Такие слияния будут являться наиболее мощными событиями во Вселенной. Они должны становиться мощнейшим источником гравитационных волн. Не исключено, что в далеком будущем одно из таких слияний может стать причиной нового Большого взрыва и рождения новой Вселенной. Кто знает, по крайней мере, сейчас во Вселенной известно лишь о двух явлениях, которые характеризуются экстремальной плотностью материи – черная дыра и материя до Большого взрыва.




    Естественно, кроме общих случаев должны быть и частные случаи больших астрономических слияний, к примеру, падения планет на звезды или поглощение звезд сверхмассивными черными дырами.



    Такие явления тоже достаточно редки и происходят на больших расстояниях, поэтому многие их детали пока неизвестны. Познание Вселенной в ответе на один вопрос всегда порождает ещё несколько новых вопросов.


Tags: гамма-всплески, черные дыры
Subscribe
promo za_neptunie july 10, 2014 20:36 8
Buy for 30 tokens
Число постов в блоге перевалило за сотню, поэтому я решил систематизировать их по различным тематиками. Это поможет мне и моим читателям быстрее находить в блоге интересную информацию. Последнее обновление от 4 августа 2014 года Венера Новая книга о Венере Венера-Экспресс готовится к…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 21 comments