Экстремальной Вселенной |
|
русский / english
|
| | Нерешенные задачи астрофизики экстремальной Вселенной |
|
Рис.1. Самый Далекий на настоящий момент Объект, обнаруженный во Вселенной при помощи Огромного телескопа ESO был зарегистрирован слабый гамма-всплеск, который является свидетельством взрыва наиболее раннего и удаленного из всех известных объектов во Вселенной (величина красного смещения составляет 8.2). По всей видимости взрыв произошел более, чем 13 млрд. лет назад.
ГАММА-ВСПЛЕСКИ – ОДНИ ИЗ НАИБОЛЕЕ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ВО ВСЕЛЕННОЙ За последние несколько лет среди астрономических объектов особо выделились гамма-всплески и излучение слабых галактик, которые соревнуются за звание наиболее удаленных объектов во Вселенной. Все эти объекты являются наиболее яркими взрывами во Вселенной. Большинство из таких взрывов происходит, когда в массивных звездах заканчивается ядерное топливо, участвующее во внутризвездных реакциях. В тот момент, когда звезда схлопывается в черную дыру или превращается в нейтронную звезду, мощные газовые струи вырываются изнутри звезды в космос. Причина такого направленного взрыва до сих пор не совсем понятна. При выходе из звезды газовые потоки встречаются с внешней газовой оболочкой звезды и нагревают ее, что вызывает короткое послесвечение в широком спектре длин волн. Поскольку такое взрывное явление помимо всего прочего является еще и одним из наиболее ярких объектов во Вселенной, то обнаружение таких объектов может помочь в исследовании и открытии наиболее ранних связанных гравитацией образований во Вселенной. Самый далекий гамма-всплеск, GRB 090429B был зарегистрирован в апреле 2009 г. Он имел величину красного смещения 9.4, что соответствует расстоянию примерно в 323 млрд. световых лет от Земли. Таким образом, наблюдалось событие, произошедшее в то время, когда возраст Вселенной составлял всего лишь 0,5 млрд. лет, т.е. в сравнении с ее настоящим возрастом это составляет примерно 1/26 его часть. Однако это лишь начало, поскольку гамма-всплески могут быть зарегистрированы и с величинами красного смещения 14 и даже больше! Во-первых, речь идет о Длинных гамма-всплесках, которые физически связаны с коллапсами первых массивных звезд во Вселенной. Возможные значения массы звезд составляют 30-100 масс Солнца со временем термоядерной эволюции порядка нескольких миллионов лет. Например, характерный возраст Вселенной можно оценить как: T = 2/(3H) (1+z)(-3/2) ~ 7 106 (Z/100)(-3/2) лет Это огромный промежуток времени. Но на самом деле образование первых звезд непосредственно связано уже с периодом образования нелинейных гравитационных возмущений. Более реальные (в том числе при помощи реликтового излучения) оценки дают максимальное значение красного смещения чуть больше 12. Поэтому обнаружение гамма-всплесков со смещением z>15 ставит совершенно новые задачи в рамках стандартной космологической модели. Лаймановский континуум (912 А) выходит в инфракрасный диапазон за значения длин волн больше, чем 10000 A, для величин красных смещений z>10. В то же время коротковолновые ультрафиолетовые кванты практически все поглощаются. Поэтому существует потребность в создании именно инфракрасного приемника! 
Рис.2. Гамма-всплески (GRBs) это короткие (от нескольких миллисекунд до нескольких минут), супер-интенсивные вспышки гамма излучения, связанные с процессами звездного масштаба и происходящие на космологических расстояниях.
ГАММА ВСПЛЕСКИ ПРОЛИВАЮТ СВЕТ НА ПРОЦЕССЫ В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ! Обычно самые далекие галактики наблюдаются как наиболее тусклые регистрируемые объекты при очень большой экспозиции. Гамма-всплески на этом фоне ведут себя совершенно по-другому – они очень яркие, даже те из них, что удалены на очень большие расстояния от Земли. Зачастую они настолько яркие, что позволяют провести спектроскопические измерения. При этом материя, находящаяся в самых далеких областях космоса, и обычно скрытая от нашего взора, проявляется посредством поглощения определенных длин волн излучения гамма-всплесков, что похоже на отпечатки пальцев злоумышленника, появившиеся в спектре гамма-всплеска. Сами по себе гамма-всплески указывают нам, где происходило формирование ранних, возможно даже самых первых звезд, а спектр рассказывает обо всех объектах, которые встретились гамма излучению на пути от места взрыва до нашей планеты.
Рис. 3. На данной картинке отображено то, как художник представляет себе две галактики в ранней Вселенной. Яркий взрыв слева это гамма-всплеск. Свет от места взрыва проходит через обе галактики на пути к Земле (на картинке – направо) Анализ наблюдений светового излучения такого гамма-всплеска, зарегистрированного при помощи Большого телескопа ESO's показал, что обе этих галактики весьма значительно насыщены тяжелыми элементами. Картинка взята из: ESO/L. Calcada
Гамма-всплески являются наиболее яркими взрывами во Вселенной. Прежде всего они регистрируются орбитальными обсерваториями по первоначальному короткому импульсу гамма излучения. После того, как гамма-всплески локализованы, их наблюдают и изучают при помощи огромных наземных телескопов, которые способны зарегистрировать послесвечение в видимом и инфракрасном диапазоне, вызванное этими всплесками и продолжающееся в течение нескольких часов или даже дней. Один из таких всплесков, обозначенный GRB 090323, первоначально был обнаружен космическим Гамма-телескопом «Ферми», НАСА. Через небольшой промежуток времени наблюдения были подхвачены рентгеновским детектором, расположенным на спутнике НАСА «Swift», и фокальной системой «GROND», установленной на 2.2-метровом телескопе MPG/ESO, в Чили. Впоследствии этот гамма-всплеск подробно изучался при помощи Большого телескопа ESO's (Very Large Telescope, VLT) примерно день спустя после момента взрыва. Наблюдения в Большом телескопе VLT показали, что яркий свет гамма-всплеска прошел сквозь галактику, где он образовался, а затем пересек также и другую соседнюю галактику. Эти галактики мы увидели такими, какими они были 12 млрд. лет назад. Столь далекие галактики очень редко попадаются на пути излучения гамма-всплеска. «Когда мы начали изучение светового излучения гамма-всплеска, было неизвестно, что мы там обнаружим. Для нас сюрпризом стал тот факт, что холодный газ в этих двух галактиках ранней Вселенной имеет столь неожиданный химический состав,» так поясняет Сандра Саваглио результаты наблюдений (Институт Внеземной Физики Макса Планка, Гархинг, Германия), ведущий автор статьи, посвященной анализу этих наблюдений. «Эти галактики гораздо более насыщены тяжелыми элементами по сравнению с иными до сих пор известными галактиками, принадлежащими к ранней стадии эволюции Вселенной. Мы не ожидали, что столь ранняя Вселенная окажется настолько химически обогащенной и развитой.» При распространении светового излучения гамма-всплеска сквозь галактики, газовый состав этих галактик действовал подобно фильтру, поглощая часть света на определенных длинах волн. Без гамма-всплеска эти слабые галактики так и остались бы невидимыми. Скрупулезный анализ характерных «отпечатков пальцев» различных химических элементов, проведенный командой исследователей, позволил определить состав холодного газа в этих очень далеких галактиках, и, в особенности, показать насколько эти галактики богаты тяжелыми элементами.
Рис. 4. GRB 080607 был первым гамма-всплеском, в спектре послесвечения которого проявились молекулы. Таким образом, он обеспечил первый взгляд на звездо-образующие области ранней Вселенной.
Яркое послесвечение мощного гамма-всплеска позволило астрономам прощупать звездо-образующее окружение удаленной галактики, что привело к первой регистрации молекулярного газа в галактике, в которой зародился гамма-всплеск. Анализируя спектр светового излучения в послесвечении гамма-всплеска, ученые получили возможность заглянуть в активное место рождения звезд, находящееся в столь далекой галактике, что это рождение происходило 11,5 млрд. лет назад. Звезды образуются внутри огромных облаков молекулярного газа и пыли, и астрономы ожидали подтверждения присутствия таких молекулярных облаков в родительских галактиках гамма-всплесков. Однако до настоящего момента попытки обнаружить молекулярный газ в спектрах послесвечения гамма-всплесков были неудачными. Новые наблюдения Прочаски (Prohaska et al.) и его соавторов указывают на то, что формирование звезд в ранней Вселенной происходило в областях, подобных звездообразующим областям Млечного Пути. Такие наблюдения требовали появления редкого и яркого события, что позволило бы нам прощупать ту весьма разреженную среду, в которой образовывались звезды спустя 2,2 млрд. лет после Большого Взрыва. После введения коррекции, связанной с сильным ослаблением излучения из-за влияния пыли, этот гамма-всплеск оказался по существу на настоящий момент имеющим второе по яркости послесвечение. Он был бы легко наблюдаем при помощи даже любительских телескопов, не будь на пути распространения излучения столько пыли Это исследование было основано на изучении «длинного» гамма-всплеска, известного под наименованием GRB 080607. По представлениям ученых такой всплеск происходит при коллапсе массивной звезды и формировании на ее месте черной дыры. После первоначального импульса высокоэнергичного гамма излучения последовало медленно затухающее послесвечение в широком диапазоне длин волн.
По свойствам их первичного излучения гамма-всплески делятся на длинные/мягкие и короткие/жесткие импульсы. Короткий гамма-всплеск имеет характерную длительность менее 4 секунд и более жесткий спектр, чем длинные гамма-всплески. Вследствие их короткой длительности до сих пор не были произведены наблюдения первичного оптического излучения таких гамма-всплесков … Эксперимент SHOCK который будет проведен при помощи спутника Ломоносов, станет одним из самых масштабных по охватываемой области пространства (2000 кв. град) оптических экспериментов в космосе. |
||
