Взрыв взбил пространство в квантовую пену

Мощнейший гамма-всплеск указывает на квантовую природу пространства

В сентябре прошлого года космический телескоп имени Ферми пронаблюдал самый мощный взрыв, известный науке. Жёсткие фотоны чуть запоздали относительно мягких. Возможно, это след квантовой природы самого пространства-времени.

Космический телескоп GLAST для исследований далёких звёзд и галактик с помощью фотонов самых высоких энергий отправился на орбиту в июне прошлого года. Через два месяца, когда стало ясно, что телескоп работает исправно, ему дали имя Энрико Ферми, и с тех пор Космический телескоп имени Ферми ни на минуту не отводил от неба взгляда.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2836426",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2946882_i_1"
}

Слово «взгляд» тут вполне уместно: поле зрения и угловое разрешение основного инструмента LAT (Large Area Telescope) телескопа имени Ферми примерно такие же, как и у человека. Так что несложно представить себе картину, которую увидел «Ферми» в ночь на 16 сентября прошлого года примерно в 3 часа 13 минут по Москве.

В этот момент в южном созвездии Киля, на которое как раз смотрел LAT, произошла достаточно мощная вспышка гамма-излучения — так называемый гамма-всплеск, получивший обозначение GRB080916C. И, как потом выяснилось,

это был самый мощный космический взрыв, который когда-либо удавалось видеть учёным.

По наводке другого космического телескопа — Swift, запущенного специально для изучения гамма-всплесков, — учёные уже на следующий день направили в район взрыва европейский оптический телескоп диаметром 2,2 метра, расположенный в Чили, на горе Ла-Силла. На полученных им изображениях нашлось так называемое послесвечение гамма-всплеска, и это позволило установить расстояние до объекта (см. врез).

Расстояние по фильтрам

Приближённо определить расстояние до объекта можно даже не получая его детального спектра. От звёзд к нам практически не приходит излучения с длиной волны меньше 91,2 нм – это так называемый лаймановский скачок, всё такое излучение очень быстро «съедает» водород, который оно может ионизовать с основного уровня энергии. Есть и менее выраженный бальмеровский скачок – для квантов с длиной волны меньше 365 нм, способных ионизовать водород с его второго уровня.

Из-за космологического расширения Вселенной спектральное положение этих скачков меняется, сдвигаясь во всё более красную область спектра – это так называемое красное смещение. В реальных данных такой скачок проявляется в «исчезновении» или резком потускнении объекта в коротковолновых фильтрах. По диапазону пропускания фильтра, в котором объект пропадает, можно оценить красное смещение, а значит – момент излучения света и расстояние до источника.

GRB080916C оказался одним из самых далёких гамма-всплесков, его свет шёл к нам 12,2 миллиарда лет и был испущен, когда Вселенная была в 10 с лишним раз моложе, чем сейчас. Поскольку всплеск и так казался ярким, огромное расстояние означает, что на деле его энергия была просто гигантской.

Если предположить, что излучение от взрыва разошлось во все стороны, то энергия этого события должна составить около 9*10⁵⁴ эрг — в десяток тысяч раз больше, чем энергия «стандартной» сверхновой.

Чтобы добиться такой мощи, надо перевести в чистую энергию по эйнштейновской формуле E=mc² несколько масс Солнца!

У предыдущего рекордсмена — вспышки, случившейся 23 января 1999 года, — энергия была почти в пять раз меньше.

Правда, на деле энерговыделение наверняка скромнее. Сейчас астрономы думают, что длинные гамма-всплески вроде GRB080916C происходят, когда взрываются очень массивные звёзды и образуются чёрные дыры. Когда в центре звезды заканчивается ядерное «горючее» — сначала водород, потом гелий, потом другие элементы вплоть до железа, ядро более не в состоянии противостоять гравитации и схлопывается под свой горизонт событий, превращаясь в чёрную дыру.

Однако оставшееся «тело» звезды не может упасть под горизонт сразу и образует аккреционный диск, через который, как вода в ванной, утекает в чёрную дыру. Часть вещества, которую дыра не успевает проглатывать, вырывается наружу в виде двух тонких струй — так называемых джетов, которые врезаются во внешние слои звезды, разгоняют их до огромных скоростей и в конце концов прорываются наружу. Этот вырвавшийся наружу нестабильный джет мы и видим как гамма-всплеск.

Оценка 9*10⁵⁴ эрг, которую приводят учёные, сделана в предположении, что излучение было изотропным, одинаково ярким во все стороны. На деле же оно, скорее всего, концентрировалось в достаточно узком (несколько градусов) конусе, в который попала Земля. Определять геометрические параметры этих конусов — угол раскрытия и расстояние между осью и лучом зрения — астрономы пока надёжно не умеют, так что говорить об истинной энергетике нельзя и приходится сравнивать изотропные оценки.

Однако самое главное — это даже не гигантская энергия всей вспышки, а то, что её переносили очень энергичные отдельные фотоны.

Телескоп имени Ферми

состоит из двух основных инструментов – широкоугольного телескопа LAT (Large Area Telescope) и монитора вспышек GBM (GLAST Burst Monitor), на деле ещё более широкоугольного. Монитор вспышек GBM состоит из 12 детекторов из кристаллов NaI, способных улавливать рентгеновское и гамма-излучение в диапазоне энергий квантов от 8 кэВ до 30 МэВ. Детекторы GBM видят одновременно всё небо (хотя надо учитывать, что почти половина его будет всё время закрыта Землёй, поверхность которой находится всего в 550 км под орбитой спутника). Сами детекторы неспособны определить направление прихода лучей, однако они расположены по разные стороны от инструмента LAT и каждый по-своему ориентирован – таким образом, направление прихода лучей можно определить приблизительно. За первый месяц работы GBM нашёл 31 гамма-всплеск – в среднем, по одной штуке в день.

LAT способен детектировать гамма-излучение в диапазоне энергии квантов от 30 МэВ до 300 ГэВ и выше; это один из немногих космических инструментов, разработанных специально с прицелом на область энергий выше 10 ГэВ. LAT в любой конкретный момент осматривает чуть более 2 стерадианов неба, то есть примерно одну пятую его часть, в своём основном, обзорном, режиме, он будет покрывать всё небо каждые три месяца, отслеживая изменения на нём в гамма-диапазоне. При этом LAT способен определить местоположение ярких источников с точностью до одной минуты дуги; кстати, такова же и способность человеческого глаза разрешать звёзды на тёмном небе, так что любому из нас будет легко представить, что именно видит LAT. Детектор состоит из 16 прослоек «вольфрам-кремний», в которых удары гамма-лучей рождают пары электрон-позитрон, направление движения и энергия которых фиксируются, определяя направление на источник и энергию кванта.

Самый мощный фотон, зафиксированный детекторами LAT, потянул на 12–15 ГэВ, то есть 12–15 миллиардов электронвольт — это в 5 миллиардов раз больше, чем энергия оптических фотонов, которые видит наш глаз. До сих пор были известны всего пара всплесков, от которых учёным удалось зафиксировать такие мощные фотоны. И это были очень мощные (согласно изотропной оценке) всплески.

Авторы работы с описанием GRB080916C, принятой к публикации в Science, делают осторожное предположение о существовании отдельного подкласса гамма-всплесков, способных испускать кванты очень высоких энергий. Чем они отличаются физически, непонятно, но очевидно, что речь идёт о самых экстремальных космических событиях.

Ещё одна деталь, которую подметили учёные, — запаздывание высокоэнергичных фотонов относительно фотонов более низких энергий.

Первый квант с энергией больше 1 ГэВ пришёл лишь через 10 секунд после начала явления, которое само продолжается лишь несколько десятков секунд.

У такой задержки может быть несколько объяснений. Возможно, так устроен источник, что поначалу все самые энергичные фотоны либо не образуются, либо тут же поглощаются. Однако может быть и другая причина, более экзотическая: согласно некоторым моделям несуществующей пока квантовой теории гравитации, у пустого пространства есть свойство дисперсии — кванты высокой энергии летят через «квантовую пену пространства-времени» чуть-чуть медленнее, чем низкоэнергичные кванты.

Из задержки можно даже сделать оценку сверху на характерную шкалу энергий квантовой гравитации. Получается около 10¹⁸ ГэВ — всего на порядок ниже, чем фундаментальная, так называемая планковская энергия и далеко за пределами возможностей даже гипотетических земных ускорителей. Впрочем, это лишь верхняя оценка.

Выяснить, какое объяснение подходит лучше — наружное или внутреннее, поможет только обнаружение таких эффектов у всё новых и новых гамма-всплесков. Если окажется, что эффект однозначно связан с расстоянием (и не с космологическим расширением, зримо удлиняющим для нас любые процессы в ранней Вселенной!), гамма-всплески окажутся мощным средством в изучении «квантовой пены».