Источник (на английском языке):
PPARC press release
26 января 2004 года

Гамма-всплески помогают изучать нашу собственную Галактику (по следам  GRB 031203)

Справа вверху: Орбитальная рентгеновская обсерватория XMM-Newton.

Астрономы стали свидетелями уникального феномена, никогда не наблюдавшегося ранее. Вокруг далекой галактики, ставшей очагом гамма-всплеска, уже через несколько часов после его регистрации было зафиксировано великолепное расширяющееся рентгеновское гало. Об открытии гало сообщила группа астрономов под руководством Симона Вогана из Университета города Лестер (Великобритания). Их статья на эту тему была принята к публикации в Астрофизическом журнале.

Рис. 1. Четыре последовательные экспозиции рентгеновского гало вокруг GRB 031203, сделанные через 25000, 35000, 45000 и 55000 секунд после регистрации гамма-всплеска. В расширяющемся узоре гало легко угадываются два концентрических кольца. Длина масштабной линейки на снимках - 4 угловых минуты.

Гамма-всплески, словно невидимые маяки, просвечивают космос лучами самых высоких энергий, которые, как оказалось, могут служить хорошим зондом для вещества, лежащего на луче зрения между источником всплеска и Землей. В данном случае гамма-всплеск GRB 031203 произошел почти точно за плоскостью пылевого диска Галактики, и кванты света, идущие от него, вынуждены были пересечь эту запыленную область, прежде чем достигли нашей планеты.

Орбитальная обсерватория Integral Европейского Космического Агентства зарегистрировала этот необычный гамма-всплеск 3 декабря 2003 года в 22 часа 1 минуту по Всемирному времени. Мощный поток гамма-квантов продолжался около 30 секунд, и уже через 6 часов 10 минут после этого события рентгеновская обсерватория XMM-Newton сделала первый снимок удивительного гало вокруг угасающего рентгеновского послесвечения всплеска.

Комментируя открытие, профессор Ян Халлидей (PPARC) заметил: "Гамма-всплески являются самыми мощными взрывами из известных нам во Вселенной. Если бы мы смогли увидеть Вселенную в гамма лучах, она оказалась бы совсем не похожей на ту безмятежную Вселенную, которая наполнена светом мириадов светил, видимых обычным глазом. Арена непрекращающихся взрывов, космических столкновений и исчезающего в гравитационных воронках черных дыр вещества - такой бы она предстала нашему взору".

Быстро угасающее рентгеновское излучение на месте всплеска (послесвечение в терминологии современной астрономии) хорошо видно в центре рентгеновских снимков, сделанных обсерваторией XMM-Newton. Гало состоит из двух расширяющихся концентрических колец вокруг эпицентра всплеска.

Рис. 2. Симон Воган - руководитель группы астрономов, наблюдавших гало на орбитальном рентгеновском телескопе XMM-Newton. На этой фотографии 5-летней давности Симон снят по куполом 3-метрового рефлектора им. Дональда Шейна Ликской обсерватории.

"Возникновение ярких колец обусловлено пылью нашей собственной Галактики, которая подсвечена мощным коротким импульсом рентгеновского излучения, вышедшего из очага гамма-всплеска вместе с основным потоком гамма-квантов, - говорит Симон Воган. - Пыль рассеяла часть этих лучей, отклонив их к Земле, подобно тому, как рассеивают видимый свет капли тумана. Так появились кольца, являющиеся ни чем иным, как рентгеновским эхо гамма-всплеска. Сам по себе всплеск подобен крику в соборе: громкий и ясный, он быстро стихает, но галактическая реверберация, видимая в форме колец, все еще звучит, и она прекрасна".

Благодаря конечности скорости света, рассеянные на пыли рентгеновские кванты, идущие к Земле по изломанной траектории, приходят к нам позже самого момента гамма-всплеска. Причем задержка тем больше, чем дальше от луча зрения находится пылинка, преломившая луч. Вот почему кольца расширяются со временем.

"Световое эхо в форме расширяющихся колец возникает на небе в том случае, если пыль на луче зрения образует слой, приблизительно совпадающий с картинной плоскостью, - продолжает Воган. - Если кольца два, значит должно быть две пылевых стены между Землею и источником. Понимание того, как в реальности распределяется пыль по диску Галактики, очень важно. Почему? - Потому что именно пыль способствует охлаждению газовых облаков в Галактике, которые благодаря этому получают впоследствии возможность коллапсировать, то есть образовать новые звезды и планеты. Тот, кто знает распределение пыли, по существу получает в руки карту будущих возможных очагов звездообразования".

Расширяющиеся рентгеновские кольца никогда еще прежде астрономами не наблюдались. Однако аналог этого явления в видимом свете - световое эхо от вспышек новых и сверхновых - было замечено уже несколько раз.

Двойное гало гамма-всплеска GRB 031203 обусловлено двумя пылевыми стенами Галактики, удаленными от нас на расстояние около 2900 и 4500 световых лет соответственно. Столь точная оценка расстояний была получена астрономами по угловым размерам колец и скорости их расширения. Погрешность в данном случае не превосходит 2% - выдающийся результат для таких труднодоступных объектов Галактики, как невидимые пылевые облака. Ближайшая из двух стен, возможно, является частью туманности Gum - горячего газового пузыря, образовавшегося в результате вспышки сразу нескольких сверхновых. Сам гамма-всплеск, как полагают астрономы, случился в небольшой галактике, удаленной от нас на расстояние 1.46 млрд. световых лет (сравнительно близкий гамма-всплеск).

Рис. 3. Галактика - источник гамма-всплеска GRB 031203 находится на небе совсем рядом со звездой Наос (дзета Кормы), а пространственно - прямо за туманностью Gum, бесспорно являющейся крупнейшей туманностью нашего неба. Ее угловой диаметр, как хорошо видно на снимке, превосходит 20°! На этой площади вполне уложились бы все остальные туманности неба, вместе взятые. К сожалению, в наших широтах она не поднимается над горизонтом; из звезд, видимых на снимке, нам будут знакомы, пожалуй, лишь Алудра, Адара и Везен, принадлежащие созвездию Большого Пса.

Зеленая линия обозначает галактический экватор. Координаты гамма-всплеска в галактической системе отсчета L = 255.74°, b = -4.80°.

До сих пор природа этих всплесков остается загадочной, хотя в руках астрономов уже есть немало подсказок. Считается, что по крайней мере некоторые из них могут происходить в результате вспышки сверхновых, причем не любых, а лишь тех, которые лишились к концу жизни всех своих внешних оболочек и коллапсируют прямиком в черную дыру.

сокращенный перевод:
А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

Что это там, вдалеке?

По результатам изучения GRB 031203 около звезды Наос в созвездии Корма стало ясно, что на месте угасающего рентгеновского послесвечения находится небольшая галактика с блеском в полосе K' около 16.5^m. Спектр галактики, полученный на 6.5-метровом телескопе им. Вальтера Бааде, позволил измерить ее красное смещение z = 0.105. Оно соответствует расстоянию 450 Мпк или 1.46 млрд. световых лет.

Рис. 4. 6.5-метровый рефлектор им. Вальтера Бааде обсерватории Лас Кампанас (Чили), на котором был получен спектр родительской галактики гамма-всплеска GRB 031203 и определено расстояние до нее. Удивительно компактный телескоп системы Грегори с относительным фокусом всего 1.25 - под небольшим куполом и не угадаешь такую мощную машину.

Таким образом, среди прочих гамма-всплесков этот оказался сравнительно близким и к тому же не особенно ярким. Кроме того, он принадлежал к категории гамма-всплесков с "мягким спектром". По этим термином астрономы подразумевают тот факт, что по сравнению с другими всплесками он излучил сравнительно много энергии не в гамма диапазоне, а в более мягком рентгеновском. Это создало особо благоприятные условия для возникновения гало: чем ниже энергия квантов, тем более эффективно они рассеиваются на пылевых частицах межзвездной среды.

Послесвечение, наблюдавшееся в рентгене, было очень ярким и угасало необычно медленно - пропорционально (t - t0)^-0.4. Его удалось зафиксировать и в радио диапазоне.

Несмотря на то, что в препринте Вогана говорится о неудавшейся попытке зафиксировать послесвечение в ИК диапазоне, это не совсем верно. Наблюдения за родительской галактикой на 4-метровом телескопе им. Виктора Бланко (CTIO) показали, что ее блеск в полосе I упал с 25 по 77 день после всплеска на 0.23^m. Этот факт означает, что в первые недели он слагался из двух компонент: постоянного блеска самой галактики и ощутимого вклада угасающего транзиентного источника.

Слежение за галактикой на телескопах Европейской южной обсерватории позволило даже зафиксировать момент максимума этого вклада: это случилось приблизительно на 20-й день после всплеска, когда в полосе R вклад транзиентного источника составил около 30% от светимости галактики. С этого дня он стал падать. Разница между спектрами галактики, полученными в день максимального вклада транзиентного источника и через 90 дней после всплеска, оказалась удивительно похожей на спектр сверхновой SN 1998bw типа Ic (называемая гиперновой - за необычно высокое энерговыделение). Этот факт в очередной раз подтверждает весьма укрепившую свои позиции в последние годы гипотезу о том, что по крайней мере некоторые гамма-всплески связаны со вспышками сверхновых типа Ib и Iс.

Интересный результат получили астрономы, работающие на 10-метровых телескопах им. Кека. Снимая родительскую галактику 5 декабря 2003 года (то есть всего через два дня после всплеска) при очень хороших атмосферных условиях (0.5" seeing) им удалось разглядеть на ее окраине крошечный источник с блеском в полосе K' около 21.1^m. Так вот, оказалось, что на снимке, сделанном 0.6-метровым телескопом REM (Ла Силла) за день до этого, на его месте никакого объекта с блеском выше 21.5^m не было. Этот крошечный источник находится всего на 1.4" к северу и на 0.2" к востоку от центра родительской галактики (сверхновая?). К сожалению, никакой дополнительной информации о нем автору перевода найти не удалось, хотя прошло уже несколько месяцев.

Рис. 5. Снимок родительской галактики гамма-всплеска в полосе K', полученный 5 декабря 2003 года при великолепных атмосферных условиях на 10-метровом телескопе Кек II. Странная точка с блеском 21.1^m на ее северной окраине не была зафиксирована за день до этого телескопом REM.

Рентгеновское эхо, прокатившееся по просторам нашей Галактики

А теперь на время забудем о природе неведомого далекого всплеска и перенесем внимание на удивительный феномен светового эхо. Начнем с азов и рассмотрим геометрию его возникновения.

Шаг первый: главное свойство эллипса

Когда-то в детстве в одной занимательной книжке автору довелось увидеть рисунок, запомнившийся на всю жизнь. На этом рисунке было показано, как нарисовать на земле точный эллипс, имея при себе лишь веревку и три колышка. Если вы знаете, как в тех же условиях нарисовать круг, имея только два колышка, то скорее всего найдете ответ.

С кругом все очевидно: один колышек прочно вбивается в землю; к нему привязывается веревка, другой конец которой обвязывается вокруг второго колышка. Держа его в руках и натягивая веревку, вам следует просто идти по кругу, подобно козе на привязи, и чертить его заостренным концом по земле окружность.

Теперь эллипс. Отложим на время один из колышков в сторону, а два других крепко вобьем в землю на некотором расстоянии друг от друга. Эти точки и будут фокусами эллипса. Теперь привяжем к ним веревку так, чтобы она не была натянута до упора, а имела определенную степень свободы (то есть болталась). Чем свободнее она будет, тем менее вытянутый эллипс у нас получится. Берем третий колышек, оттягиваем им веревку в сторону так, чтобы она натянулась, и упираем его острый конец в землю. Начинаем движение вокруг вбитых кольев так, чтобы колышек-карандаш все время держал веревку в натянутом состоянии. В итоге мы и получим правильный эллипс.

Рис. 6. Главное свойство эллипса можно сформулировать и так: свет, вышедший из фокуса эллипса и отразившийся от любой его точки, придет во второй фокус всегда через одно и то же время - независимо от выбранного пути.

Эта процедура наглядно иллюстрирует важнейшее свойство эллипса: сумма расстояний от фокусов до любой точки эллипса всегда постоянна и равна... длине веревки, которую мы использовали для его рисования! Нетрудно сообразить, что эта сумма равна также удвоенной большой полуоси эллипса а (подсказкой служит положение веревки в тот момент, когда с колышком в руках мы пересекаем линию, проходящую через фокусы эллипса). Другими словами длина веревки будет в два раза превосходить большую полуось получившегося эллипса.

Шаг второй: дороги света

Рассмотрим последовательно процесс распространения света от сравнительно короткой вспышки в космосе. Для начала предположим, что между источником вспышки и Землей нет никакой материи, рассеивающей свет.

Сразу после вспышки, фотоны начинают свое прямолинейное движение, образуя в совокупности расширяющуюся со скоростью света сферу. Толщина ее стенок равна ct, где t - продолжительность вспышки. Образующие сферу фотоны движутся по прямолинейным траекториям строго от источника вспышки. Те из них, на пути которых в момент прохождения сферой Земли окажется наш глаз (или приемник света телескопа), принесут нам информацию о вспышке и о направлении, в котором она произошла. Причем, в момент достижения Земли внешней поверхностью световой сферы, наблюдатель увидит начало вспышки, а в момент прохождения мимо Земли последних фотонов внутреннего края сферы - ее окончание. Все остальные фотоны расширяющейся сферы пройдут мимо наблюдателя и никогда не будут замечены жителями Земли.

Рис. 7. Прохождение световой сферы мимо Земли в случае отсутствия рассеивающей свет материи: (1) вспышка; (2) расширение световой сферы; (3) момент, когда вспышку видит наблюдатель на Земле. После этого световая сфера продолжает свое движение по Вселенной, а для нас все окончено и источник вспышки снова выглядит спокойным.

Ситуация усложняется, если где-то на пути света между источником вспышки и Землей находится среда, рассеивающая свет. Например, космическая пыль. Поместим где-нибудь между источником и наблюдателем пылевую стену и будем следить за развитием событий.

Первыми, как и раньше, глаза наблюдателя достигают фотоны, идущие точно вдоль прямой источник-наблюдатель. Они стремительно проносятся мимо Земли (вспышка была короткой), и в этот момент мы регистрируем вспышку. После ее окончания источник снова становится спокойным, а дальше начинается нечто необычное. Некоторые фотоны, излученные источником не строго в направлении Земли, получают шанс достичь нашего глаза с некоторым опозданием после первых "вестников" вспышки - окольными путями.

Отсчитаем 2 часа от момента регистрации вспышки на Земле. Теперь нарисуем эллипс, фокусами которого будут источник и Земля, с большой полуосью равной половине расстояния до источника + 1 световой час. Вспоминаем главное свойство эллипса: сумма расстояний от любой его точки до фокусов постоянна и равна удвоенной большой полуоси. В нашем случае эта сумма равна расстоянию до источника + 2 световых часа. Если некий фотон, вышедший из источника в момент вспышки, отразится от поверхности этого эллипса в любой его точке и, изменив направление, направится к Земле, - он прибудет с опозданием ровно 2 часа. Значит, нарисованный нами эллипс является геометрическим местом точек пространства, рассеяние света на которых задержит его прибытие к наблюдателю на одно и то же время. Назовем его эллипсом равных путей.

Что же заставит фотоны изменить направление? Очевидно, пылевая стена, которая эффективно рассеивает фотоны в той области пространства, куда мы ее поместили. Это значит, что при взгляде на источник вспышки через 2 часа после ее регистрации, мы будем видеть вокруг него яркое кольцо, которое образуют фотоны, идущие к Земле по изломанным на один и тот же угол траекториям и опаздывающие ровно на 2 часа. К этому времени сам источник давно уже будет выглядеть спокойным - летящие по прямой фотоны миновали Землю и умчались прочь на целых два световых часа! При взгляде на пылевую стенку через 4 часа, мы увидим, что кольцо увеличилось в размере и т.д.

Так возникает световое эхо в том случае, если на пути светового луча оказываются межзвездные пылевые облака. В реальности им вовсе не надо располагаться строго перпендикулярно лучу зрения, а также иметь видимость плоских стенок, чтобы создавать эффект кольцевого эха, - обычно в момент его регистрации эллипсы равных путей слишком узкие (их эксцентриситет почти не отличается от единицы) и даже сильный наклон пылевой стенки почти не изменит круговую форму эха при взгляде с Земли. Что касается формы, то даже толстые облака обычно имеют толщину, несоизмеримую с расстоянием до источника вспышки, поэтому их реальная протяженность порождает лишь некоторое размытие границ кольцевого эха.

Зная расстояние до источника и угловой диаметр эхо через определенный промежуток времени после вспышки можно найти расстояние до рассеивающего пылевого слоя. Это чисто геометрическая задача, которую вы можете попробовать решить самостоятельно - все данные для этого есть в тексте пресс-релиза, а также на снимке орбитальной рентгеновской обсерватории XMM-Newton. С использованием уравнения эллипса в полярных координатах, она решается фактически в три действия:

1. Нахождение малой полуоси b = ( a² - c² ) ^1/2 .

2. Нахождение эксцентриситета e = c / a.

3. Подстановка найденных значений в уравнение эллипса в полярных координатах:

ro = ( b²/a ) / ( 1 + e cos fi )

Расстояния до пылевых облаков, порождающих внешнее и внутреннее кольца рентгеновского эха вокруг гамма-всплеска GRB 031203, получаются огромными: 2900 и 4500 световых лет соответственно. Это означает, что в первые часы после вспышки, когда их наблюдала группа Вогана, они расширялись с фантастической скоростью, которая более чем в тысячу раз превосходит скорость света! Через несколько часов после вспышки их диаметр измерялся уже световыми годами. Ничего страшного в этом нет - световое эхо не материальное образование, а всего на всего эхо. Просто эллипс равных путей расширяется в первые мгновения очень быстро. Со времен его эксцентриситет падает и малая полуось растет уже гораздо медленнее.

Тем не менее даже такие огромные расстояния несравнимы с расстоянием до источника вспышки: фактически пылевые стенки находятся прямо у нас под носом - в нашей собственной Галактике. Очень интересна их физическая интерпретация. О дальнем трудно сказать что-либо определенное, а вот о ближнем кое-что можно.

Давайте внимательно посмотрим на карту галактических окрестностей Солнечной системы - одну из появившихся в последние годы. Конечно, она еще очень схематична, и многое на ней еще придется не только уточнять, но и исправлять. И все же понять главное она поможет.

Итак, перед нами фрагмент спирального рукава Ориона, на внутреннем крае которого, как считается, находится Солнечная система. Диффузный межзвездный газ обозначен здесь темно-синим цветом, а известные плотные молекулярные облака - оранжевым. Голубые кружки - звездные ассоциации. Обратите внимание, что Солнечная система расположена в области, свободной от синего фона. Газа вокруг нее почти нет, точнее, он очень разрежен и горяч - это не что иное как Местный Пузырь, который теперь стали называть Местным Туннелем. Чтобы сразу сориентироваться в масштабе, найдите в правой части карты звездную ассоциацию в Орионе - расстояние от Солнца до нее равно приблизительно 1500 световых лет.

Синей стрелкой на карте обозначено направление на центр Галактики, желтой - собственное движение Солнца относительно общей массы близких звезд (движение к апексу небесной сферы), а фиолетовой - направление на гамма-всплеск GRB 031203, галактическая долгота которого L = 256°.

Как уже говорилось в пресс-релизе, луч зрения в данном направлении пробивает огромную загадочную газовую структуру - расширяющуюся водородную оболочку под названием туманность Gum. Она изображена на карте зеленым цветом. О ее природе до сих пор идут споры, ибо неясно, кто же внес главный вклад в ее появление - сверхновые или же звездный ветер молодых массивных звезд. Как минимум одна сверхновая уже взорвалась в этой области в ближайшем прошлом, оставив после себя знаменитую волокнистую туманность в Парусах (Vela SNR) с пульсаром внутри. Это случилось около 10 тысяч лет назад.

Кроме того известно, что в пределах туманности Gum находятся как минимум две молодые звездные ассоциации: широкая ОВ-ассоциация Vel ОВ-2 и более компактная, чуть более близкая и заметно приподнятая над галактическим экватором ОВ-ассоциация Trumpler 10. Бесспорно, их звездный ветер вносит ощутимый вклад в динамику окружающего газа. Яркая звезда Наос (дзета Кормы) принадлежит ассоциации Vel ОВ-2, равно как и жемчужина созвездия Парус - гамма Парусов, одна из ярчайших звезд Вольфа-Райе на нашем небосводе, неистовый звездный ветер которой может сравниться с целым ветром иного звездного скопления.

Расстояние до туманности Gum и ее протяженность до сих пор определены с невысокой точностью: 500±100 парсек при радиусе порядка 150 парсек. Однако, даже с учетом погрешности этих цифр, ближняя пылевая стенка в направлении на источник гамма-всплеска GRB 031203 все равно оказывается лежащей за границей туманности Gum. Это блестящее подтверждение выводов Вермана и его коллег (2001), на которое ссылается в своем препринте и Симон Воган: а именно, изучение распределения молекулярной материи в этом направлении методами радиоастрономии показало, что молекулярные облака там концентрируются главным образом за дальней границей туманности Gum.

А что у нас там находится? Найдите справа от туманности Gum еще одну звездную ассоциацию (самая правая на карте). На небе эта довольно обширная ассоциация молодых звезд располагается в нижней части созвездия Большого Пса вокруг компактного рассеянного скопления Collinder 121. Ситуация с этой ассоциацией в процессе ее изучения складывалась весьма интригующе.

Интрига заключалась в том, что в долгое время она считалась единой ассоциацией, расстояние до которой было определено по данным спутника "Гиппарх" в 1999 году как 592 пк. Однако определяли его не по компактному центральному скоплению, а по окружающим его ярким звездам. Внимательное изучение формирующихся в самом скоплении Collinder 121 незрелых звезд (pre-main sequence star) привело к подтверждению выдвинутой еще в 1981 году Олином Эггеном гипотезы о том, что это компактное скопление в реальности не связано с обширной группой окружающих его звезд. Оно находится существенно дальше: до него около 1050 пк - расстояние очень близкое к расстоянию до пылевой стенки в направлении галактической долготы гамма-всплеска (880 пк).

Значит, молодые звезды формируются именно там, на дальних окраинах пояса Гульда - кольца ярких звездных ассоциаций, окружающего Солнечную систему. Именно с внешней стороны пояс Гульда все еще получает приращение и сегодня, - факт, независимо подтвержденный Симоном Воганом, который указал на существование там пылевой материи, способствующей образованию новых звезд.

Рис. 8. Крупнейшие звездные ассоциации пояса Гульда. Ассоциация, обозначенная на схеме Cr121, как стало ясно астрономам в последние годы, физически не связана с компактным и богатым протозвездами скоплением Collinder 121 (красный кружок). Последнее находится существенно дальше ассоциации, на расстоянии около 1050 пк, и на наших глазах расширяет пояс Гульда в третий квадрант галактических долгот. Пылевая стена, породившая внешнее кольцо рентгеновского эха вокруг GRB 031203 (голубой овал), находится почти на таком же расстоянии от Солнца, как скопление Collinder 121.

Зеленым цветом на схеме обозначена туманность Gum; фиолетовым - дальняя пылевая стена, породившая внутренне кольцо рентгеновского эха вокруг GRB 031203.

А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"