Взрыв взбил пространство в квантовую пену

Мощнейший гамма-всплеск указывает на квантовую природу пространства

Артём Тунцов 20.02.2009, 19:55

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.

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).

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.

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».