Военная тайна астрофизики

     МАОУ  «Средняя общеобразовательная школа  № 49 г.Улан-Удэ»

     Республика  Бурятия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     « ВОЕННАЯ ТАЙНА»

     АСТРОФИЗИКИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                Выполнил: ученик  9 «а» класса  школы №49                                                                                                                                                                                              

                                                  Руководитель:  
 
 
 
 
 
 

г. Улан-Удэ 
 
 
 
 
 

Содержание 

1. Введение ______________________________________ стр. 2

 

2. Разгадка  природы гамма – всплесков  ______________ стр.

 
 

3. Что мы знаем  о космических гамма – всплесках _____ стр.

 

4. Огненные  шары Вселенной _______________________ стр.

 
 

5. Заключение ____________________________________ стр.

 

6. Литература _____________________________________ стр.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

       Астрофизика является наблюдательной наукой, поскольку исследователь не имеет возможности прямого воздействия на изучаемый объект Вселенной. Выводы о природе исследуемых объектов астрофизики делают на основе анализа косвенной информации, которая заключена из поступающих из Космоса различных излучений.

       Есть  военные тайны, а есть тайны природы и истории, связанные с ними и тесно могут переплетаться между собой. После подписания договора о запрете ядерных испытаний в трёх средах в 1964 году Пентагон запретил несколько военных спутников с целью контроля над ядерными испытаниями потенциальных противников и союзников. Идея сложения такова: подрыв ядерного устройства на поверхности Земли или в атмосфере сопровождается коротким всплеском гамма- излучения. Если на околоземной орбите расположить несколько гамма - детекторов, то по временной задержке импульсов можно определить, какая из стран нарушает договор о ядерном воздержании. Через некоторое время выяснилось, что кроме как Францией и Китаем конвекция нарушается некой третьей державой, расположенной в созвездии Большой Медведицы. Гамма - всплески приходили из космоса! И вот уже более сорока лет военная тайна остаётся самой большой научной загадкой современной астрофизики.

       Астрофизики пытались разгадать одну из самых  загадочных тайн Вселенной – природу гамма-квантов. Все попытки найти источники гамма - всплесков заканчивались полным провалом. Создавалось впечатление, что они приходят из пустоты. 

       Поражала  высокая частота событий –  всплески детектировались почти  каждый день, это было установлено  аппаратами “Венера -11, -12” и “Прогноз” в 1970-ые годы. Но ещё более удивительным оказалось то, что всплески с равной вероятностью приходят с любого направления, в пространстве расположены неоднородно! Стало ясно, что астрофизики имеют дело с самым грандиозным по мощности явлением в природе Космоса (рис.1.). 

         

       Рис.1. Типичный космический гамма-всплеск, зарегистрированный с американского аппарата «Улисс» 3 мая 1991 года в спектральном диапазоне 30-225 кэВ. Временное разрешение 0,062 с. 
 
 

       Разгадка  природы гамма - всплесков 

       В VIII веке Уильям Гершель установил, что наша галактика  плоская, точнее имеет дискообразную форму. Млечный путь, видимый прошлым глазом в ясную ночь, входит в состав нашей галактики. А как выглядит “галактика” гамма - всплесков? Есть ли у неё своя полоса, состоящая из слабых всплесков? Отвечая на эти и другие вопросы, учёные исследовали результаты эксперимента, поставленного на американской орбитальной гамма - обсерватории имени Артура Комптона. Были зафиксированы 2000 новых всплесков (рис.2.) 

         

       Рис.2. Запись гамма – всплеска, произведенная с борта гамма – обсерватории им. А. Комптона. Этот всплеск не является типичным, потому что типичного всплеска нет. Общее лишь то, что в течение долей или нескольких секунд «из пустоты» появляется поток гамма – квантов, обладающий сложной изрезанной временной структурой. 

 и  оказалось, что наклонно -3/2 практически нигде нет (рис.3.), 

 

       Рис.3. Зависимость для гамма – всплесков, полученная по данным наблюдения (точки), и теоретические кривые, полученные с помощью Машины Сценариев для различных моментов образования галактик после начала расширения Вселенной. 
 
 

а по небу источники распределены изотропно (рис.4.). 

 

       Рис.4. карта 1000 гамма – всплесков, обнаруженных с 1991 по 1994 год с борта космической обсерватории им. А. Комптона. 

 Странная  получается “галактика”. Распределение по потокам показывает, что она дискообразная,  на небе никаких следов млечного пути нет!

       Ничего  подобного в нашей галактике  быть не может, но в нашей Вселенной  есть один практически идеальный  изотропный объект – это сама Вселенная! Именно это заставило многих учёных отказаться от галактической модели гамма - всплесков. Астрономическое сообщество разделилось на 2 части в соответствии с точками зрения на природу гамма - всплесков:

       - источники гамма - всплесков удалены на космологические расстояния, и их изотропия связана с изотропией нашей Вселенной;

       - источники гамма - всплесков окружают нашу галактику, образуя своеобразную сферическую корону.

       Дело  дошло до публичных дебатов в  музее естественной истории в  Вашингтоне между сторонниками этих двух гипотез. Сторонники галактической  гипотезы аргументировали свою позицию, в основном, прибегая к критике оппонентов: если встать на космологическую точку зрения, то есть удалить гамма - всплески на расстоянии порядка 15 млрд. световых лет, то для объяснения наблюдаемой яркости всплесков нужно согласиться, что их источники – это самые мощные объекты Вселенной. Самыми мощными источниками во Вселенной считались Квазары, светимость которых в 10 тыс. раз меньше! А ведь есть гамма - всплески и в 100 раз ярче, а это уже 10⁵² эрг/с.

       Сторонники  космологической точки зрения критиковали модель короны, ведь рядом с нашей есть несколько близких галактик, в том числе видимых невооружённым глазом, а вокруг них нет никакой короны, да и распределение гамма - всплесков в пространстве не объясняет это гипотеза.

       Метод Гершеля – это статистика, а нужен новый эксперимент, дающий прямую информацию о свойствах гамма - всплесков. Вплоть до 1997 года такого эксперимента не было, и в научных журналах продолжали появляться самые разные модели гамма - всплесков.  
 
 
 

       Что мы знаем о космических гамма - всплесках 

       С тех пор, как Галилей повернул телескоп к небу (а было это в 1610 году), итальянская астрономия не делала столь удачного астрономического эксперимента. Все эксперименты в гамма - астрономии до 1997 года обладали одним недостатком – они не позволяли быстро и точно определять направление на всплеск. Дело в том, что отдельный гамма-детектор даёт направление в лучшем случае с точность до одного углового радиуса, так что на небе получается квадрат ошибок с площадью в 1 квадратный градус. Наша вселенная велика и в этот квадрат впадают тысячи далёких галактик, и поэтому трудно определить, с какой из них связан гамма - всплеск. Идея эксперимента BEPPO SAX (Беппо – известный итальянский физик, сакс – астрономический рентгеновский спутник) крайне проста и удивительно плодотворна. Итальянские и голландские учёные создали специализированный спутник, на борту которого одновременно находятся и гамма - и рентгеновский телескопы. Как только гамма- телескоп фиксирует всплеск, в его квадрат ошибок направляется рентгеновский телескоп, точность которого в 60 раз выше. Если за гамма - всплеском следует вспышка рентгеновского излучения, можно получить координаты всплеска уже с точностью до одной угловой минуты, это и необходимо для работы мощного оптического телескопа. И так, что же сегодня известно о всплесках? Для 2 тыс. всплесков есть координаты с точностью 7^о  - 10^о, почти для 100 – с точностью 3 – 30 угловых минут. Для всех 2000 всплесков имеются потоки излучения в интервале энергии 50 – 1000 кэВ, длительность спектра с различным, но не очень высоким спектральным разрешением. Длительность всплесков колеблется от нескольких миль секунд и до 100с. с двумя максимумами на 1 и 30с. (рис.5.). 
 
 

       Непростая ситуация складывается с распределением всплесков по их яркости (или потоку рентгеновского излучения). Не решён вопрос и о наличии линий в рентгеновском спектре. В чём же причина столь плачевного состояния вопроса о природе космических гамма - всплесков? Прежде всего в отсутствии точных, секундных координат. Наблюдательная группа из Астрокосмического центра физического института имени П.Н.Лебедева РАН и Специальной астрофизической обсерватории в станице Зеленчукской на Северном Кавказе (В.В.Соколов, С.А. Жариков, А.И.Копылов, А.В.Березин, В.Г. Курт) использовали 6 -метровый оптический телескоп ВТА с чувствительной ПЗС – матрицей для изучения нескольких областей локализации всплесков.  При этом была достигнута рекордная чувствительность – 27 зв. величин.

       В пределах прямоугольника с размерами 0,5^/ – 2,5^/ было измерено около 400 объектов. Практически все они являются внегалактическими: галактиками или квазарами. Придерживаясь локальной теории происхождения всплесков и полагая, что источниками гамма – всплесков являются близкие нейтронные звёзды, наблюдатели искали голубые объекты с температурой несколько сот тысяч градусов. Выбрать конкретный объект так и не удалось. Только в эксперименте  
 
 

BEPPO SAX удалось получить оптические изображения через несколько часов

после вспышки в рентгеновском и  гамма– диапазонах. В этом эксперименте впервые удалось для двух всплесков получить точные координаты и рентгеновские положения со сдвигом в 8 часов после регистрации гамма – всплеска (рис.6.).  

         

       Рис.6. Фотография гамма всплеска с космического телескопа им. Э. Хаббла. 
 

       Три гипотезы о природе  всплесков 

       Какие же возможности остаются для объяснения этого странного феномена? Изотропное распределение на небесной сфере оставляет нам три возможности.

       1. Локальная теория, объясняющая происхождение  всплесков близкими объектами с расстояниями меньше толщины галактического диска, то есть ближе 100 – 200 пк. В этом случае светимость потенциальных источников остаётся в допустимых пределах, то есть меньше 10³⁷эрг. Вероятнее всего, что в этом случае источники всплесков – старые одиночные нейтронные звёзды, практически не изучающие в оптическом диапазоне вне времени всплеска.

       2. Внегалактическая теория, согласно  которой всплески расположены  на громадных космологических  расстояниях с красным смещением.  Эта идея была высказана Богданом Пачинским (США) и нашла много сторонников. При таких расстояниях светимость источников всплесков превышает 10⁵²эрг, что соответствует аннигиляции за 1–10секунд 0,01 массы Солнца. Учёный предложил и физический механизм для объяснения такой светимости – слияние двух нейтронных звёзд в тесной двойной системе. Такие шары теряют вращательный момент за счёт излучения гравитационных волн. В нашей Галактике уже найдены шесть таких пар с периодами орбитального вращения менее нескольких часов. 
 
 
 

 Физические  аспекты такого процесса ещё не выявлены. Если это так, то надо искать в местах расположения всплесков слабые родительские галактики, в которых и произошло такое редкое событие. По оценкам теоретиков в галактиках, типа нашей, может произойти всплеск один раз за 10⁵ - 10⁷ лет.

       3. Промежуточная теория – гало  вокруг ядра нашей Галактики  с характерным размером около  100 – 200 кпк. Параметры этой  модели очень сильно ограничены: надо, чтобы не сказывалась концентрация источников к ядру Галактики и чтобы не были видны всплески от туманности Андромеды.  

       Огненные  шары Вселенной 

       Первые  испытания ядерных устройств  показали, что взрыв атомной бомбы  сопровождается образованием гигантского  огненного шара, состоящего из раскалённой  до температуры миллионов градусов плазмы. Именно этот расширяющийся огненный шар давал вначале гамма -, а затем по мере остывания световую вспышку. Американский астрофизик Питер Межарош и английский астрофизик Мартин Рис предложили похожую модель для объяснения космических гамма – всплесков. Только эти космические шары состоят из электронно-позитронных пар и квантов света. Плотность их очень большая, что ни те, ни другие не могут вырваться за границы шара и их собственное давление разгоняет поверхность шара практически до скорости света. Когда шар расшириться настолько, что становиться прозрачным, все фотоны покидают его в виде короткой гамма – вспышки, а оставшееся электронно-позитронное облако несется дальше. Если вокруг шара есть межзвездная среда, то шар продолжает в ней сверхсильную релятивистскую ударную волну, на фронте которой генерируется длительное рентгеновское и оптическое послесвечение. Что порождает сам огненный шар – слияние нейтронных звезд, слияние нейтронной звезды и черной дыры или, как некоторые считают, гипертрофированный взрыв сверхновой, неясно.