Гамма-всплески

ГАММА-ВСПЛЕСКИ - внезапные кратковрем. повышения интенсивности космич. g-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ. Были обнаружены с амер. ИСЗ серии "Вела" (данные опубликованы в 1973 г.). В первые годы изучения Г.-в. наблюдались не чаще 5-8 раз в год и поэтому считались редким явлением. В конце 70-х гг. были разработаны спец. приборы для исследований Г.-в. Наиболее чувствительные из них (работавшие на советских автоматич. межпланетных станциях "Венера-11, -12") позволили регистрировать Г.-в. каждые 2-3 сут.

Рис. 1. Типы наблюдаемых гамма-всплесков (по оси ординат отложена интенсивность вспышки, определяемая по скорости счёта фотонов, но оси абсцисс - время, отсчитываемое от начала вспышки).

Рис. 2. Характерные энергетические спектры гамма-всплесков: a - степенной, б - экспоненциальный. F - число фотонов в единичном интервале энергий, фиксируемое в единицу времени; e - энергия фотонов.

По мощности излучения Г.-в. существенно превосходят уровень диффузного метагалактич. фона g-лучей от всего неба и на неск. порядков величины превышают потоки от известных дискретных источников. Временная структура всплесков очень сложна и разнообразна. Полная длительность событий меняется от долей до сотен секунд. Поразительна энергетика явления. Из возможных оценок расстояния до источников Г.-в. следует, что уносимая ими из источника энергия только в g-диапазоне достигает 10⁴⁰ эрг. Светимость же всей нашей Галактики в этом диапазоне составляет »5^.10³⁸ эрг/с. Эти цифры говорят о том, что источниками Г.-в. явл. астрофизич. объекты неизвестного ранее вида с совершенно неожиданными и необычными св-вами. Значит. интерес к новому астрофизич. явлению породил множество самых разнообразных гипотез о природе Г.-в. По мере накопления наблюдательных данных круг возможных объяснений сужается. На рис. 1 представлены наиболее характерные типы временных структур Г.-в. (своего рода "кривые блеска"). Эти примеры не передают всего разнообразия Г.-в., но, несомненно, отражают важные особенности процессов генерации излучения в источниках. В ряде случаев во временных профилях всплесков наблюдаются интенсивные короткие импульсы длительностью Dt = 0,01-0,1 с. Это означает, что источники всплесков очень компактны. Верхний предел на размеры излучающей области определяется расстояниями ~сDt » 3000 км.

Индивидуальные различия в энергетич. спектрах Г.-в. выражены менее ярко. Иногда встречаются спектры, близкие по форме к степенным, dF~e^-ade, (рис. 2,а). Но преимущественно наблюдаются спектры вида dF~e^-bexp(-e/e₀)de (рис. 2,б). Как правило, спектр излучения в ходе всплеска сильно эволюционирует, характеристич. энергия меняется со временем, e₀(t). Общая черта эволюции состоит в том, что при переходе от начальной к последующим стадиям всплеска формируются более мягкие спектры, излучение с фотонами больших энергий затухает быстрее.

По виду углового распределения источников Г.-в. на небесной сфере и по характеру статистич. зависимости, к-рая описывает рост числа наблюдений всплесков при переходе от сильных (близких) всплесков к более слабым (далёким), было установлено, что источники Г.-в. являются галактич. объектами. Их распределение в пространстве ограничивается по высоте над галактической плоскостью ср. расстоянием z ~1 кпк и напоминает, по-видимому, распределение промежуточной сферич. подсистемы Галактики. Полное число Г.-в., происходящих в Галактике за год, может достигать ~10⁴.

Рис.3. Временной профиль всплеска, зафиксированного 5 марта 1979 г. ("Венера-11, -12").

Рис. 4. Энергетический спектр всплесков 5 марта 1979 г. ("Венера-11,-12"). Правая кривая - спектр начального импульса, левая кривая - спектр пульсирующего излучения.

Рис. 5. Линии в спектре гамма-всплеска 22 июня 1979 г. ("Венера-11"). Электроны плазмы в сверхсильном магнитном поле свободно движутся только вдоль поля. Энергия поперечного движения квантована. Поглощение в районе 50 кэВ связано, по-видимому, с изменением энергии электронов, движущихся поперёк поля. Линия излучения с энергией 460 кэВ может интерпретироваться как излучение, возникающее при аннигиляции электрон-позитронных пар и претерпевшее гравитационное красное смещение в поле нейтронной звезды с массой

Изучение мощнейшего всплеска 5 марта 1979 г. и трёх повторных более слабых всплесков в марте и апреле того же года показало, что их общим источником явл. необычный вспыхивающий рентгеновский пульсар в созвездии Золотой Рыбы. Всплеск 5 марта 1979 г. состоял из чрезвычайно интенсивного узкого начального импульса и последующих менее сильных импульсов с периодом 8 с (рис. 3). Картина пульсаций, содержащая последовательности главных импульсов и более слабых интеримпульсов, полностью соответствует предположению о наблюдении излучения из областей магн. полюсов нейтронной звезды, промодулированного её вращением. В отличие от известных стационарно излучающих рентг. пульсаров вспышка затухла за 5-6 мин. На рис. 4 показаны энергетич. спектры начального импульса и последующей фазы пульсаций. В первом спектре присутствует линия, у фотонов к-рой e »430 кэВ, что соответствует энергии фотонов аннигиляц. линии 511 кэВ, испытывающей красное смещение в гравитац. поле нейтронной звезды с массой радиусом R = 10⁶ см (аннигилируют электрон-позитронные пары). Предполагается, что всплеск 5 марта 1979 г. явл. наиболее ярким представителем особого класса коротких Г.-в. (рис. 1, внизу); источники др. коротких всплесков расположены дальше, и связанные с ними всплески наблюдаются только в импульсной начальной фазе. Пульсирующее излучение, если оно и имеет место, маскируется фоном.

Получены данные, указывающие на связь с нейтронными звёздами и других, более "обычных" Г.-в. В их энергетич. спектрах в ряде случаев также наблюдались аннигиляц. линии с энергией фотонов 400-500 кэВ и, что особенно примечательно, линии поглощения в районе 50 кэВ (рис. 5). Абсорбционные линии могут возникать в источнике вследствие избират. поглощения выходящего излучения внешними более холодными областями плазмы на электронной циклотронной частоте w_B = еВ/mc. Оценки магн. поля по энергии линии поглощения дают величину В »5^.10¹² Гс. Такими сверхсильными магн. полями могут обладать только нейтронные звёзды.

Более косвенные свидетельства о нейтронных звёздах как источниках Г.-в. получены также при статистич. рассмотрении наблюдат. данных. Было установлено, что полный выход энергии в источниках пропорционален продолжительности всплесков, а ср. мощность излучения приблизительно постоянна. Предполагается, что светимость источников ограничивается критической светимостью, к-рая для нейтронных звёзд, имеющих массы , составляет ~10³⁸ эрг/с.

Пока ещё нет общепризнанного объяснения природы скоротечных процессов, разыгрывающихся в источниках Г.-в. Наиболее предпочтительными кажутся предположения о том, что всплески вызываются нестационарной аккрецией на нейтронную звезду в двойной системе или же взрывным термоядерным горением выпавшего вещества. Как возможные причины Г.-в. рассматриваются также: выбросы вещества из внутр. слоев нейтронной звезды, сопровождающиеся ядерным распадом; процессы быстрой перестройки магн. поля (см. Вспышки на Солнце); падение на нейтронную звезду астероидов; освобождение энергии при "звездотрясениях". Для выяснения происхождения Г.-в. необходимо надёжное отождествление хотя бы неск. источников с конкретными астрофизическими объектами, наблюдающимися в др. диапазонах длин волн.

Лит.: Голенецкий С. В., Мазец Е. П., "Венера-11 и -12" исследуют космические g-всплески, "Природа" 1979 № 10; Сюняев Р. А., Источник g-всплесков - рентгеновский пульсар, там же, 1979 № 9; Прнлуцкий О. Ф., Розенталь И. Л., Усов В. В., Мощные всплески космического гамма-излучения "УФН", 1975, т. 116; Шкловский И. С., Звезды. Их рождение, жизнь и смерть. 3 изд., М., 1984.

(Е.П. Мазец)