3 мая 2004 года

Когда тайное становится явным - феномен светового эха

Справа вверху: Новая Персея, вспыхнувшая в 1901 году на расстоянии 1500 световых лет от Земли, стала первым объектом на небе, вокруг которого астрономы наблюдали световое эхо. По-видимому, вспыхнувшая звезда окружена мощными пылевыми оболочками, на которых уже через 6 месяцев после вспышки засветилась отражательная туманность. В туманности были отчетливо видны концентрические дуги, центрированные на звезду, которые удалялись от нее со скоростью около 11' в год. Позже, когда астрономы узнали истинное расстояние до звезды, скорость расширения дуг обернулась в 5c !

На этом снимке, сделанном в октябре 1994 года 3.5-метровым телескопом WIYN, светового эха уже давно не видно. Вместо него мы видим разлетающиеся на скорости до 1200 км/с волокна - продукты взрыва, содержащие несколько десятков масс Земли. (Ширина снимка около 2'.)

Световое эхо может служить уникальным инструментом для выяснения невидимой структуры нашей Галактики, а также чисто геометрическим средством определения расстояний до далеких звездных систем.

Геометрия эхо, описанная в статье о рентгеновском эхо вокруг гамма-всплеска GRB 031203, не единственная из тех, с которой сталкиваются астрономы. Теоретически можно описать пять различных конфигураций системы источник-пыль-наблюдатель, которые по существу будут определяться местоположением пылевого экрана. Для их описания еще раз посмотрим на эллипс равных световых путей (см. статью о GRB 031203). Пылевые экраны здесь, конечно, изображены весьма условно - в реальности они не столь правильные и отнюдь не такие тонкие. Отчасти стилизация возникает из-за сильного нарушения пропорций между вертикальным и горизонтальным масштабами (эллипсы равных световых путей на деле, то есть в момент наблюдения эха, гораздо тоньше, почти как иглы).

Конфигурация I: пыль окружает источник вспышки сферической оболочкой. В реальности этой конфигурации обычно отвечает сброшенная предсверхновой (или другим источником вспышки) оболочка, которая может иметь далеко не сферическую форму. Оболочек может быть несколько.

Несложно понять, что при таком расположении пылевой материи, эхо будет необычным: сперва оно будет быстро расти (рассеяние на обращенной к наблюдателю стороне сферы), затем скорость роста замедлится и даже вовсе остановится ("засветятся" самые удаленные от оси источник-наблюдатель части сферы), после чего эхо начнет... сжиматься! Самый широкий эллипс равных путей - самый поздний по времени, когда еще наблюдается эхо - будет пересекаться с пылевой оболочкой лишь в дальней ее части. Значит к этому времени эхо свернется в точку и закончится по существу уже просто отражением света вспышки от находящейся за источником части сферы.

Конфигурация V: пыль окружает сферической оболочкой наблюдателя. Эту конфигурацию мы упоминаем только ради полноты картины. В реальности она никогда не наблюдается и наблюдаться с Земли не будет. Хотя бы потому, что Солнечная система находится в Местном Пузыре - огромной галактической полости, почти лишенной не только пыли, но и газа. (Есть и другие причины, которые для краткости мы здесь опустим.)

Конфигурация II: Пылевое облако находится гораздо ближе к источнику, чем к наблюдателю. Вполне реальная и очень распространенная конфигурация. На нее, а также на первую конфигурацию астрономы возлагают большие надежды как на средство непосредственного, чисто геометрического определения расстояний до других галактик. Эта конфигурация, к примеру, реализуется в момент вспышки внегалактической сверхновой, перед которой на луче зрения присутствует плотная пылевая материя той же галактики. Если сверхновая взорвалась за диском спиральной системы, шансы зафиксировать эхо особенно высоки.

Конфигурация IV: Пылевое облако находится гораздо ближе к наблюдателю, чем к источнику. Именно эта конфигурация реализовалась в случае с рентгеновским эхо вокруг гамма-всплеска GRB 031203. Без всяких преувеличений ее можно назвать подарком с небес: она великолепно проявляет невидимую пылевую структуру нашей собственной Галактики и является незаменимым средством ее изучения.

Конфигурации II и IV зеркально похожи друг на друга. Это сходство усиливается еще и тем, что в обоих случаях расчеты динамики светового эха можно проводить с помощью системы вложенных парабол, а не эллипсов равных путей. Дело в том, что когда пылевой экран находится несравнимо ближе к источнику, чем к Земле, лучи рассеиваемого им света уходят от эллипса равных путей к наблюдателю почти параллельным пучком. Это значит, что в окрестности источника, эллипс равных путей почти не отличается от параболы. Та же ситуация, но в зеркальном отражении, получается в конфигурации IV. Переход к параболам несколько упрощает вычисления. Понятно, что он применим и в конфигурации I.

Конфигурация III: пыль находится на сравнимых расстояниях от источника и наблюдателя. Такая конфигурация, если источник имеет внегалактическую природу, очень маловероятна, хотя и не исключена. Она означает, что мощная вспышка в одной из галактик проявила пылевую структуру другой галактики, оказавшейся на луче зрения. Гораздо больше шансов наблюдать такую конфигурацию в случае галактического источника. В этом случае эхо служит таким же "зондом" Галактики, как и в конфигурации IV, с той лишь разницей, что охват у него побольше, а скорость раскрытия эхо - наоборот ниже.

Уникальные наблюдения рентгеновского эха от гамма-всплеска GRB 031203 имеют длинную предысторию. Вообще говоря, вспышечная природа источника для появления вокруг него рентгеновского гало совсем не обязательна. Источник может светить постоянно. При достаточной его мощности и наличии пылевой материи на луче зрения, вокруг него может наблюдаться стабильное рентгеновское гало, отличающееся от эха своей постоянностью.

Пионерская теоретическая работа Дж. Овербека о рассеянии рентгеновского излучения на частицах межзвездной среды появилась еще в 1965 году. Его идею быстро подхватили и развивали.

Задолго до появления орбитальных рентгеновских обсерваторий И.Трампер в 1973 году предложил прямой геометрический метод измерения расстояний до переменных рентгеновских источников. Дело в том, что если источник демонстрирует заметную переменность, она всегда будет повторяться в гало, но с небольшой задержкой, которая зависит от разности хода прямого и рассеянного лучей и в конечном итоге определяется геометрией системы источник-пыль-наблюдатель. Этот факт был с успехом использован астрономами в 2000 году для определения расстояния до известного галактического рентгеновского источника Лебедь Х-3 (двойная с релятивистским компаньоном, возможно, черной дырой).

Рис. 1. Рентгеновский снимок двойной системы Лебедь Х-3, окруженной обширным гало. Снимок сделан орбитальной обсерваторией "Чандра" в декабре 1999 года. Ширина снимка 200".

В рентгеновском диапазоне система Лебедь Х-3 переменна: ее яркость меняется с периодом около 4.8 часа. Команда астрономов под руководством сотрудника Института им. Макса Планка Питера Предела в 2000 году измерила задержку, с которой эта периодичность повторяется в гало на некотором удалении от источника: порядка 15 минут. Отсюда немедленно следовало, что до него около 30000 световых лет (точность не хуже 20%). Значит, система Лебедь Х-3 не принадлежит ни нашему рукаву Ориона-Лебедя, ни даже соседнему рукаву Персея. Перед нами обитатель далеких окраин Млечного Пути.

Между тем, первое реальное наблюдение рентгеновского гало вокруг яркого галактического рентгеновского источника состоялось лишь в 1983 году (это была рентгеновская двойная). Еще 20 лет потребовалось астрономам, чтобы увидеть своими глазами скоротечную разновидность рентгеновского гало - то есть эхо - вокруг гамма-всплеска GRB 031203. К этому времени обычные рентгеновские гало были зафиксированы уже у десятков рентгеновских двойных и некоторых одиночных нейтронных звезд (в остатках сверхновых).

А теперь несколько примеров этой необычной космической феерии в оптическом диапазоне:

Конфигурация I
Световое эхо вокруг загадочной звезды 838 Единорога, вспыхнувшей в январе 2002 года.

Говорить об этой звезде коротко невозможно - она не вписывается ни в один из известных классов катаклизмических переменных и безусловно требует отдельной статьи; ее вспышка была и остается загадкой, которая еще ждет своего решения. Поэтому мы обойдем стороной ее природу, указав лишь на то, что именно световое эхо помогло астрономам найти расстояние до звезды.

Рис. 2. Любительский снимок 838 Единорога через 11 месяцев после начала вспышки. 25-см телескоп системы Ричи-Кретьена (F/9), матрица ST-8E.

Первые оценки имели очень широкий разброс и скорее всего были сильно занижены: от 2500 до 7000 световых лет. Лишь после того, как астрономы из Института Космического телескопа им. Хаббла провели наблюдения в поляризованном свете и нашли те участки пылевых оболочек вокруг 838 Единорога, на которых свет рассеивается под прямым углом, стало ясно, что до звезды около 20000 световых лет!

Рис. 3. Световое эхо от вспышки 838 Единорога, случившейся на звезде в первые месяцы 2002 года. Снимок Космического телескопа им. Хаббла. Ширина снимка 82" (7.8 световых года на расстоянии 20000 световых лет). Нарастание яркости звезды - артефакт, связанный с последовательным увеличением экспозиции. К маю 2002 года 838 Единорога фактически уже вернулась к первоначальному блеску.

Любуясь завораживающей красотой стремительно расширяющегося вокруг 838 Единорога эха, не забудьте обратить внимание на крошечную, едва заметную звездочку в левом верхнем квадрате снимка - она появляется лишь на третьем кадре примерно в направлении 10 часов от вспыхнувшей звезды. Замечательная особенность этой звездочки заключается в том, что на всех кадрах она неизменно сохраняет небольшую область вокруг себя темной, даже тогда, когда все вокруг светится. Область, поглощающая или сильно рассеивающая световой поток эха, - догадываетесь, что это может быть? Конечно, околозвездный пылевой диск. По-видимому, полку вега-подобных светил с подпитываемыми пылевыми дисками прибыло. Едва ли астрономы оставят ее без внимания.

Ну и конечно, не подпадите под иллюзию, что здесь чего-то расширяется. Ни-ни, боже упаси! За первые полгода наблюдений эха его диаметр увеличился с 4 до 7 световых лет. Значит, скорость его раскрытия в три раз превосходила скорость света. На самом деле ничего никуда не движется - свет лишь проявляет те невидимые доселе пылевые оболочки, которые звезда сформировала загодя.

Конфигурация II
Световое эхо вокруг аномальной сверхновой SN 1991T типа Ia в галактике NGC4527.

Необычность этой сверхновой стала очевидна после достижения ею максимума блеска. До этого момента она вела себя как типичная сверхновая типа Ia, однако после достижения максимума спектр сверхновой начал становиться все более и более странным, а угасание шло недопустимо медленно - кривая блеска значительно уклонялась вверх от кривой скорости распада радиоактивного кобальта ⁵⁶Co, который доминирует в энерговыделении сверхновой на поздних стадиях вспышки.

Рис. 4. Галактика NGC4527 в созвездии Девы с обозначенной сверхновой SN 1991T. Сверхновую открыли 13 апреля 1991 года. В максимуме она достигла блеска 11.5^m, почти сравнявшись в яркости с родительской галактикой. Однако главные странности начались чуть позже, когда стало ясно, что звезда явно "ленится" угасать.

Ничего похожего астрономы раньше не наблюдали, но вскоре тайна SN 1991T открылась: уже через два года астрономы заметили, что угасание звезды застопорилось на абсолютном блеске -10^m. Более того, оказалось, что главным источником светового потока стала теперь не звезда, а расширяющееся вокруг нее световое эхо! Именно появление эха после максимума блеска, которое в первые два года маскировалось ярким светом угасающей звезды, обусловило аномально низкую скорость ослабления ее блеска. Кроме того, вклад эха в общий световой поток от сверхновой всегда имел спектр вспышки (спектр в фазе максимума), независимо от времени наблюдения - получалась каша. Отсюда аномальный спектр на стадии угасания.

Рис. 5. Оптическое эхо от вспышки сверхновой SN 1991T. Снимок сделан Камерой Слабых Объектов (FOC) Космического телескопа им. Хаббла в 1996 году. Диаметр эха около 0.4", расстояние до родительской галактики ~13 Мпк.

Опираясь на расстояние до галактики NGC4527, измеренное по цефеидам, астрономы определили геометрию эха: его поперечник получился близким к 120 световым годам, а расстояние от сверхновой до пылевой преграды, на которой развивается эхо, около 150 световых лет. Возможно, этой преградой стал пылевой диск галактики, за которой находится сверхновая.

Чтобы решить обратную задачу, то есть найти расстояние до галактики по угловому размеру эха, нужно дополнительно знать угол, на который пыль рассеивает свет. Сегодня это вполне можно сделать, наблюдая эхо в поляризованном свете с помощью орбитального телескопа им. Хаббла, в том случае, когда параболоид равных световых путей пересекает пылевые облака в картинной плоскости, проходящей через вспыхнувшую звезду, - тогда рассеяние происходит на угол 90° и поляризация максимальна.

Конфигурация I+II
Эхо вокруг сверхновой SN 1998bu типа Ia в галактике М96.

Ситуация с этой сверхновой оказалась очень похожей на ситуацию с SN 1991T, с той лишь разницей, что спектральные отклонения от нормы начались у нее несколько позже.

Рис. 6. Сверхновая SN 1998bu в динамике: до вспышки, май 1998 года (около максимума) и через несколько месяцев после вспышки. В максимуме она достигла блеска 11.8^m и стала первой сверхновой, открытой в этой галактике. Снимки получены на 0.9-метровом телескопе обсерватории CTIO (Чили).

Снимок, сделанный "Хабблом" через 762 дня после достижения SN 1998bu максимума блеска, показывает изумительное двойное эхо, бегущее по далеким "пылевым дорожкам" галактики М96. Оно состоит из внешнего кольца радиусом 0.24" и внутренней компоненты, смещенной на 0.04" от его центра. Возможны два объяснения сдвига: либо пылевая стена, на которой возникает кольцевое эхо (конфигурация II), сильно наклонена к лучу зрения, либо пыль, окружающая сверхновую и порождающая внутреннее эхо (конфигурация I), распределена вокруг нее неравномерно.

Рис. 7. Оптическое эхо от вспышки сверхновой SN 1998bu (Космический телескоп им. Хаббла, 2000 год). Диаметр внешнего кольцевого эха 0.24".

Используя расстояние до M96, измеренное по цефеидам (около 10.5 Мпк), астрономы рассчитали геометрию кольцевого эха: порождающая его пылевая стена находится на расстоянии около 400 световых лет перед сверхновой и так же, как в случае с SN 1991T, может соответствовать расстоянию между нею и пылевым диском родительской галактики. Внутреннее эхо возникает на пыли, находящейся не более чем в 30 световых годах от сверхновой.

Конфигурация I+II
Сверхновая SN 1987A типа II в Большом Магеллановом облаке.

Наконец подошла очередь этой уникальной близкой сверхновой, вспыхнувшей в феврале 1987 года в Большом Магеллановом облаке - небольшой галактике-спутнике Млечного Пути. Вот уж действительно настоящий небесный подарок астрономам.

Рис. 8. Большое Магелланово облако, видимое невооруженным глазом в южном полушарии Земли. На снимке выделена туманность Тарантул и прилегающая к ней справа область, содержащая сверхновую 1987 года (см. рисунок 9).

БМО находится в высоких галактических широтах, поэтому свет от сверхновой почти не встречается на своем пути с пылью нашей Галактики. Следовательно, конфигурации IV здесь получиться не могло. Так оно и было: эхо засветилось на пылевой материи самого Облака.

Рис. 9. Туманность Тарантул (30 Золотой Рыбы) и ее юго-западные окрестности за три года до вспышки SN 1987A. Стрелкой указана предсверхновая, имеющая на снимке чуть вытянутую форму. В реальности это сразу три звезды, одна из которых и стала сверхновой, а две другие сейчас проецируются на окружающие ее кольца (см. рисунок 11). Прямоугольником выделена область, по которой на рисунке 10 бежит световое эхо.

После нескольких лет кропотливых наблюдений астрономами было выявлено 12 различных пылевых структур, по которым прокатилось эхо. Они располагаются перед сверхновой на расстояниях от 310 до 3240 световых лет, причем более далекие от сверхновой пылевые преграды образуют кольцевые эха с большим радиусом - ситуация, противоположная рентгеновскому эхо вокруг гамма-всплеска GRB 031203 в конфигурации IV. (Для сравнения: проекционное расстояние между сверхновой и центральным скоплением туманности Тарантул около 1000 световых лет).

Два самых мощных пылевых образования перед звездой как бы раздвоены - на них загорелись два полных кольцевых эха, о которых чаще всего и говорят, упоминая эхо вокруг сверхновой 1987А. Двойственность каждого из колец, по-видимому, указывает на то, что пылевые образования на пути световых лучей являются полостями, ближняя и дальняя стенки которых работают по отдельности, "раздваивая" кольца. Эти полости удалены от SN 1987A на расстояние около 370 и 1000 световых лет соответственно.

Рис. 10. Световое эхо от вспышки сверхновой SN 1987A (AAO, Давид Малин). Хорошо видны два "раздвоенных" кольца и небольшая дуга между ними.

Чтобы ярче выделить эхо на фоне света звезд и газовой компоненты БМО, а также максимально сохранить его собственный цвет, фотограф Англо-Австралийской обсерватории Дэвид Малин вычел между собой два снимка сверхновой, сделанных до и после вспышки. Звезды почти исчезли, оставив лишь легкие ореолы, обусловленные разным состоянием атмосферы в дни получения снимков, зато эхо сияет своим настоящим цветом - сверхновая в максимуме блеска (май 1987 года) действительно была желтой!

Изучение структуры БМО на луче зрения между сверхновой и Землей, ставшее возможным благодаря эффекту светового эха, дало пищу для целого ряда исследовательских работ. В частности стало ясно, что сверхновая находится далеко за плоскостью пылевого диска БМО (на расстоянии более 1000 световых лет от него). Видя, как молодые звезды в нашей собственной звездной системе тяготеют к тонкому пылевому диску Млечного Пути, астрономы недоумевали.

Действительно, как могла столь короткоживущая звезда оказаться к концу своей крошечной жизни так далеко от пылевого диска БМО? Появилась даже гипотеза о том, что предсверхновая в какой-то период своей жизни была на большой скорости выброшена из родительского звездного инкубатора (OB-runaway star). Этой гипотезе явно противоречит принадлежность предсверхновой небогатому звездному скоплению KMK 80 c возрастом около 12 миллионов лет. Некоторые астрономы полагают, что само скопление в целом, родившись в диске БМО, получило (или унаследовало) значительную вертикальную компоненту скорости. Поэтому к моменту взрыва SN 1987A оно оказалось на значительном расстоянии от плоскости рождения.

Все 12 пылевых структур, о которых сказано выше, породили кольцевые эхо или неполные дуги, отвечающие конфигурации II. Почему в заголовке стоит I+II? Оказывается, интересная разновидность эха наблюдалась также прямо на газовых кольцах, окружающих сверхновую.

Рис. 11. Окрестности сверхновой SN 1987A. Взорвавшаяся звезда окружена тремя кольцами, два из которых образуют как бы донышки "песочных часов", а третье - яркое и узкое - охватывает эти часы вместе с самой звездой в талии.

На известном снимке сверхновой, сделанным <Хабблом>, видны три кольца, которые одинаковым образом сплюснуты. Разумно допустить, что перед нами круговые структуры, наблюдаемые под некоторым углом i. Маленькое центральное кольцо и послужило той субстанцией, на которой развернулось необычное эхо.

В момент вспышки сверхновой во все стороны от нее среди прочих помчались и ультрафиолетовые кванты. Когда они достигли материи центрального кольца, то возбудили в ней газовые ультрафиолетовые эмиссионные линии, за появлением которых следила орбитальная рентгеновская обсерватория IUE. Из-за наклона кольца к картинной плоскости оно засияло не сразу. Первой вспыхнула ближняя к нам кромка кольца (момент времени t1). Затем спутник наблюдал за распространением ультрафиолетового эха по кольцу, пока наконец оно не закончилось вспышкой его самой дальней кромки (момент времени t2). Если мы обозначим через t0 момент вспышки сверхновой, то дополнительное время, требуемое свету для оповещения земного наблюдателя о начале и завершении ультрафиолетового эха на ближней и дальней кромке кольца, соответственно равно:

t1 - t0 = R (1 - sin(i)) / c
t2 - t0 = R (1 + sin(i)) / c

где R - радиус кольца. Сложив оба уравнения, получаем:

R = c ((t1-t0) + (t2-t0)) / 2

Отсюда следует, что наблюдая лишь за моментом начала и окончания эха на центральном кольце, мы можем вычислить его линейные размеры, а значит найти расстояние до БМО чисто геометрическим путем:

Расстояние = R / θ

где θ - угловой радиус кольца в радианах.

Полученное расстояние до БМО оказалось равным 47 кпк. Погрешность данного метода напрямую зависит от временной точности фиксации начала и окончания эха, а также от разрешения телескопа, по снимку которого определяется угловой размер кольца, а значит может быть сколь угодно улучшаема.

А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"