Коллекция гамма-всплесков глубиной в четверть века. Какие результаты принес эксперимент КОНУС-ВИНД

В ноябре 2019 года исполнилось двадцать пять лет с момента начала работы российского научного прибора «Конус» на космическом аппарате «Винд» (Wind, NASA). Сегодня это самый длительный российский научный эксперимент в космосе.

ГАММА-ВСПЛЕСКИ: НАЧАЛО

Космические гамма-всплески (gamma-ray bursts, GRBs) – импульсные потоки гамма-излучения с энергией квантов от нескольких килоэлектрон-вольт до десятков мегаэлектрон-вольт (кэВ и МэВ соответственно, энергия этих квантов в тысячи и миллионы раз больше чем энергия квантов видимого света) и длительностью от нескольких миллисекунд до нескольких часов, распространяющиеся сквозь Вселенную. Собственно гамма-всплеском называют факт регистрации такого тонкого фронта излучения с помощью детекторов па космических аппаратах.

Гамма-всплески были открыты на американских спутниках Vela в конце 1960-х годов. Их обнаружение, как и последующие пионерские исследования в американской и советской космических программах – неожиданный плод развернувшейся в те годы гонки термоядерных вооружений. Спутники Vela были предназначены для того, чтобы следить за соблюдением международного договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах, и вначале показалось, что зарегистрированные гамма-всплески родились именно в ходе таких испытаний. Но довольно скоро из данных Vela стало понятно, что их источники находятся вне Солнечной системы, а начиная с 1980-х годов выяснилось и то, что объекты, где рождается гамма-излучение, расположены за пределами нашей Галактики.

Астрофизические исследования в Ленинградском Физтехе – Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Академии наук СССР (ФТИ) начались с поиска следов антиматерии в метеорных потоках и околоземном пространстве.

В экспериментах на космических аппаратах «Космос-135» и «Космос-163» были установлены как детекторы микрометеоритов, так и детекторы гамма-излучения. В результате следов существования макроскопических объектов из антивещества (например, комет) найдено не было, но была опровергнута популярная в то время гипотеза о «пылевом облаке» Земли и получены уникальные данные о спектре космического гамма-излучения в диапазоне энергий от десятков кэВ до единиц МэВ. Неожиданным событием, позволившим в дальнейшем перейти к исследованию вспыхивающих гамма-источников, была регистрация аппаратурой «Космос-163» радиоактивного следа китайского термоядерного взрыва 17 июня 1967 г. (т.н. «Ядерное испытание № 6»). Благодаря этому в последующем эксперименте на «Космосе-461» было улучшено временное разрешение детекторов, что позволило получить одно из первых независимых подтверждений открытия космических гамма-всплесков: был зарегистрирован гамма-всплеск 17 января 1972 г.

Аппаратура экспериментов на «Космосах-135, -163 и -461» была разработана в ФТИ под руководством Евгения Павловича Мазеца.

Первые всесторонние исследования гамма-всплесков были выполнены сотрудниками ФТИ в специально разработанных для этой цели экспериментах КОНУС на автоматических межпланетных станциях «Венера-11» – «Венера-14» в 1979-1983 гг. В них были впервые определены основные наблюдательные характеристики гамма-всплесков, подтвержденные впоследствии. В частности, было показано, что источники гамма-всплесков равномерно распределены по небесной сфере. Это означало, что их источники лежат за пределами нашей Галактики (иначе их было бы больше в области Млечного пути). Однако среди зарегистрированных событий встречались повторяющиеся всплески от галактических источников, позднее названных мягкие гамма-репитеры, которые оказались связаны с нейтронными звездами. О них подробнее скажем позже.

Новый этап исследований гамма-всплесков во ФТИ связан с расширением советско-американского сотрудничества в исследовании космоса в годы перестройки и установкой аппаратуры КОНУС, созданной в институте, на американском спутнике «Винд» (Wind). (Интересно, что в качестве «ответного шага» предполагалась установка двух американских приборов на обсерваторию «Спектр-Рентген-Гамма» в ее первоначальном варианте.)

Аппаратура эксперимента КОНУС-ВИНД была разработана и изготовлена в ФТИ в 1989-1992 гг. Она состоит из двух высокочувствительных сцинтилляционных гамма-спектрометров, размешенных на космическом аппарате «Винд», стабилизированном вращением, таким образом, чтобы постоянно осматривать всю небесную сферу. В настоящее время орбита спутника расположена полностью в межпланетном пространстве (вокруг так называемой точки либрации L1, где уравновешиваются силы притяжения Солнцем и Землей, а также центробежная сила, примерно в 1,5 миллионах км от Земли по направлению к Солнцу).

С момента начала эксперимента КОНУС-ВИНД в ноябре 1994 г. и по настоящее время он предоставляет важные, часто уникальные данные о временных и энергетических свойствах излучния гамма-всплесков в области энергий 20 кэВ- 15МэВ.

Данные эксперимента также очень важны для определения координат источников гамма-всплесков триангуляционным методом по данным межпланетной сети спутников (Interplanetary Network, IPN) с детекторами гамма-квантов на борту.

Этот, исторически первый, метод относительно точной локализации источников таких кратковременных и непредсказуемых событий, как гамма-всплески, продолжает играть значительную роль и в современных исследованиях. В настоящее время в сеть IPN входит восемь космических аппаратов (Fermi, Swift, AGILE, INTEGRAL, Wind, Mars Odyssey, BepiCoIomho, InSight), находящихся на разном удалении от Земли, в том числе – на орбите Марса и в межпланетном пространстве. Точность определения координат источников всплесков в сети IPN доходит до единиц угловых минут, что позволяет исследовать их в дальнейшем с помощью высокочувствительных космических и наземных телескопов с узким полем зрения. Эксперимент КОНУС-ВИНД, благодаря своему уникальному расположению и высоким характеристикам, – ключевой сегмент сети IPN.

Научным руководителем эксперимента до 2013 г. был Е.П. Мазец, с 2013 г. – заведующий лабораторией экспериментальной астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе Рафаил Львович Аптекарь.

ЕЖЕДНЕВНЫЕ КАТАСТРОФЫ ГАЛАКТИЧЕСКОГО МАСШТАБА

Гамма-всплески – самые яркие вспышки во Вселенной! За несколько десятков секунд источник всплеска может излучить энергию, равную энергии, которую все звезды нашей Галактики высвечивают за сотню лет. Благодаря своей яркости эти события наблюдаются на космологических расстояниях в миллиарды световых лет и, следовательно, несут информацию о молодой ранней Вселенной. Современные космические обсерватории в день регистрируют в среднем один космический гамма-всплеск.

Наблюдаемые характеристики гамма-всплесков неоднородны. В частности, их можно разделить на две группы по длительности: короткие и длинные – с границей между классами примерно в две секунды. При этом кванты в коротких гамма-всплесках в среднем имеют большую энергию, чем в длинных (принято говорить, что спектр коротких всплесков жестче, а длинных всплесков – мягче).

Наблюдения гамма-всплесков в широком диапазоне длин волн: от гамма до радио – показали, что длинные/мягкие события (они же наиболее частые) связаны с коллапсом ядра молодых массивных звезд, в то время как короткие/жесткие всплески происходят при слиянии двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры.

Итак, согласно современным представлениям, «длинные» гамма-всплески сопровождают заключительные стадии эволюции массивных звезд, на которых ядро звезды коллапсирует с образованием черной дыры (или, в некоторых случаях, нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем, «магнетара»). В результате формируются мощнейшие струйные выбросы вещества – джеты, которые движутся с ультрарелятивистскими скоростями. Происходит ярчайшая вспышка мягкого гамма-излучения. Она длится до десятков секунд и обладает сложной хаотической временной структурой (т.н. собственное излучение гамма-
всплеска).

Дальнейшее распространение джета в межзвездной среде сопровождается существенно менее ярким, плавно спадающим излучением, т.н. послесвечением, которое наблюдается в течение сравнительно долгого времени в широком диапазоне электромагнитного спектра: от радиоволн до жесткого гамма-излучения. Стандартная модель послесвечения предполагает синхротронный механизм излучения электронов на ударной волне, которая формируется в ходе взаимодействия вещества джета и межзвездной среды.

Расстояние до источника гамма-всплеска можно измерить по красному смещению линий поглощения в оптическом спектре послесвечения: самые смещенные линии соответствуют поглощению в родительской галактике всплеска.

Всего с 1994 по 2019 г. в эксперименте КОНУС-ВИНД зарегистрировано более 3000 гамма-всплесков (~ 120 в год), из них примерно 500 коротких (~20 в год) – это одна из самых больших выборок на сегодняшний день. По результатам эксперимента опубликовано сотни циркуляров сети детектирования гамма-всплесков (The Gamma-ray Coordinates Network, GCN) и десятки статей, в том числе в Nature.

Благодаря непрерывному обзору неба КОНУС видит практически все яркие события, также регистрируемые наземными системами оптического мониторинга с широкими полями зрения, например, МАСТЕР и ZTF.

ГАММА-ВСПЛЕСКИ РАСКРЫВАЮТ ИСТОРИЮ ВСЕЛЕННОЙ

Как было сказано выше, гамма-всплески можно наблюдать с расстояния в миллиарды световых лет благодаря их исключительной яркости. Самый удаленный гамма-всплеск GRB 090429В пришел к нам с расстояния 13,2 миллиарда световых лет (z = 9.4), он произошел, когда Вселенной было всего 500 млн лет.

Благодаря широкому энергетическому диапазону, в котором работают его детекторы, КОНУС дает возможность точно определить параметры излучения и энергетику гамма-всплеска. Наблюдения более трех сотен всплесков с известным расстоянием до источника позволили наиболее точно оценить распределение гамма-всплесков по светимости и определить частоту их появления в зависимости от возраста Вселенной в интервале красных смещений z от 0,04 до 9,4 (на шкале возраста Вселенной они соответствуют меткам от 12,9 млрд лет до чуть более 500 млн лет).

При этом было обнаружено, что в области малых красных смещений (z< 1, или позже 6 млрд лет от Большого взрыва) форма зависимости темпа генерации гамма-всплесков от возраста Вселенной отличается от темпа звездообразования. Это различие можно интерпретировать так: в локальной Вселенной гамма-всплесков происходит больше, чем образуется достаточно массивных звезд, которые могли бы быть их источниками.

У этого результата могут быть два объяснения. Его причиной может быть неоднородность физической природы источников длинных гамма-всплесков. Второй вариант – возможная космологическая эволюция характеристик их прародителей.

С другой стороны, оцененный темп образования гамма-всплесков хорошо согласуется с историей звездообразования на красных смещениях, больших 1, то есть в еще более ранние времена. Следовательно, регистрируя далекие всплески, можно оценить ход звездообразования и начальную функцию масс звезд в ранней Вселенной.

В ПОГОНЕ ЗА СВЕРХВЫСОКИМИ ЭНЕРГИЯМИ

Идея о том, что гамма-всплески могут содержать кванты высоких энергий, появилась в середине 1980-х годов, благодаря регистрации квантов с энергией предельной для детекторов того времени (около 10 МэВ). В 1990-х годах поиск жесткого излучения проводился в эксперименте EGRET на космической обсерватории им. Комптона, где были зарегистрированы гамма кванты с энергиями до ~1 ГэВ с задержкой порядка часов после начала гамма-всплеска. Эти исследования получили продолжение в 2000-х годах на космических гамма-обсерваториях AGILE и Fermi у которыми были зарегистрированы кванты до сотен ГэВ. Для регистрации квантов выше —300 ГэВ космические обсерватории становятся неэффективными (для регистрации сверхмалых потоков гамма-квантов больших энергий нужны детекторы большой площади и большего объема, которые сложно выводить в космос). На больших энергиях в качестве детектора можно использовать земную атмосферу. Гамма-кванты с энергией в десятки ГэВ и выше можно наблюдать специализированными наземными телескопами, которые регистрируют черенковское излучение широких атмосферных ливней, вызванных гамма-квантами (т.н. «черенковскими» телескопами).

С помощью таких телескопов обычно наблюдают постоянные источники, например, нейтронные звезды и активные ядра галактик. Быстро наводить такие телескопы на источники гамма-всплесков пытались с 2000-х годов, повезло астрономам только в 2018 г., когда системе черенковских телескопов High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) удалось зарегистрировать кванты с энергией до 440 ГэВ в послесвечении GRB 180720В, через ~10 часов после детектирования всплеска в мягком гамма диапазоне обсерваториями Swift, Fermi и КОНУС-ВИНД.

Всего через полгода, в середине января 2019 г., произошел гамма-всплеск GRB 190114С. Он знаменателен тем, что его послесвечение впервые наблюдалось в сверхжесткой области электромагнитного спектра (энергии порядка 1 ТэВ) наземным черенковским телескопом MAGIC, расположенным на Канарских островах.

Уже в ноябре в журнале Nature была опубликована работа большого коллектива европейских и американских астрофизиков, где предполагается, что генерация наблюдаемого потока фотонов сверхвысоких энергий требует включения дополнительного (к синхротронному) механизма излучения, т.н. обратного комптоновского рассеяния фотонов, излучаемых синхротронным механизмом, на релятивистских электронах, ускоренных в джете.

Начальный импульс (собственное излучение) гамма-всплеска GRB 190114С был зарегистрирован в нескольких космических экспериментах, в том числе астрофизическими обсерваториями Swift, Fermi (NASA), AGILE и в эксперименте КОНУС-ВИНД.

Оперативный анализ данных последнего позволил получить спектральные и энергетические характеристики вспышки и оценить ее энергию в источнике, находящемся от нас на расстоянии нескольких миллиардов световых лет. Результаты анализа были представлены в циркуляре международной сети GCN. Сравнение формы энергетического спектра, полной энергии вспышки и ее пиковой яркости с характеристиками других длинных гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте КОНУС-ВИНД, указывает на «типичный» характер фазы собственного излучения данного события.

Сейчас продолжается совместный анализ данных эксперимента КОНУС-ВИНД и итальянского космического гамма-телескопа AGILE-MCAL. Его основная цель – детальное исследование момента появления жесткой спектральной компоненты уже на завершающей стадии начального импульса GRB 190114С. Результаты данной работы планируются к публикации в одном из ведущих астрофизических журналов в 2020 г.

Из более давних событий – уникальными стали наблюдения двух длинных ярких гамма-всплесков, GRB 050820А и GRB 080319В. Оптическое излучение первого из них было зарегистрировано телескопом RAPTOR Лос-Аламосской лаборатории. Сопоставление с данными о гамма-излучении, полученными в эксперименте КОНУС-ВИНД, позволило впервые наблюдать одновременное начало оптического и гамма-излучения в источнике всплеска. Второе событие стало самым ярким в оптической области всплеском: оптическая светимость достигла в максимуме 5,3 звездной величины, то есть была доступна для наблюдения невооруженным глазом! Совместный анализ данных эксперимента КОНУС-ВИНД и наблюдений наземного телескопа Pi of the Sky показал, что гамма- и оптическое излучение этого всплеска начинается и заканчивается в одно и то же время, предоставляя весомое свидетельство в пользу того, что они происходят из одной области пространства. Наблюдение излучения столь разных энергий, пришедшего к нам от источника в далекой Вселенной практически одновременно, позволяет использовать гамма-всплески для проверки таких фундаментальных физических теорий, как принцип эквивалентности Эйнштейна, лежащий в основе ОТО.

Как уже говорилось выше, к настоящему времени набор коротких всплесков, полученный в эксперименте КОНУС-ВИНД, включает более 500 событий. При этом среди наблюдаемых коротких гамма-всплесков могут быть как всплески от слияний компактных объектов (нейтронных звезд и черных дыр) в удаленных галактиках, так и гигантские вспышки магнетаров в ближайших галактиках. Одно из таких событий – GRB 070201 – «выпадает» по своим свойствам из общей популяции, и, с учетом его локализации, вероятно, является гигантской вспышкой магнетара – представителя редкого класса нейтронных звезд со сверхсильным магнитным полем – в галактике Туманность Андромеды.

ПОВТОРНЫЕ ВСПЛЕСКИ: СОРОК ЛЕТ СПУСТЯ

Замечательным видом вспыхивающих источников (транзиентов) в жестком рентгеновском диапазоне, тесно связанным с гамма-всплесками, являются источники повторных всплесков, получившие название мягкие гамма-репитеры (soft gamma-repeaters, SGRs). Открытие этого класса транзиентов – фундаментальный результат экспериментов КОНУС на автоматических межпланетных станциях «Венера 11-12». Примечательно, что в прошлом году можно было отметить круглую дату с момента их открытия, которое произошло 5 марта 1979 г.

В этот день приборы «Конус» зарегистрировали необычный исключительно интенсивный гамма-всплеск с коротким ярким начальным пиком, за которым следовал пульсирующий затухающий «хвост». На следующий день, 6 марта, от этого же источника были зарегистрированы два повторных гамма-всплеска. Положение источников зарегистрированных всплесков, определенное триангуляционным методом, накладывалось на положение остатка сверхновой SN49 в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии 55 килопарсек (кпк, это примерно равно 180 тыс. св. лет), что впервые указало на возможную связь источников повторяющихся всплесков и нейтронных звезд.

К настоящему времени известно более 20 мягких гамма-репитеров, большая часть из которых ассоциирована с магнетарами. Но гигантские вспышки наблюдались только у трех источников: SGR 0526-66 в Большом Магеллановом Облаке, SGR 1900+14(27 августа 1998 г.) и SGR 1806-20 (27 декабря 2004 г.) в нашей Галактике (название источников образовано из координат источника в экваториальной системе). Два последних события были детально изучены в эксперименте КОНУС-ВИНД.

Уникальные данные, позволяющие точно оценить энергию, выделенную в начальном импульсе гигантской вспышки SGR 1806-20, были получены в двух экспериментах ФТИ им. А.Ф. Иоффе: КОНУС-ВИНД и ГЕЛИКОН (работал на околоземном КА «Коронас-Ф»). Потоки излучения в начальных импульсах гигантских вспышек столь велики, что сцинтилляционные детекторы гамма-излучения на космических аппаратах входят в режим насыщения («слепнут») и измерения становятся невозможными. Именно так и произошло с детекторами КОНУС-ВИНД и других космических экспериментов во время вспышек 27 августа 1998 г. и 27 декабря 2004 г.

Но в последнем случае ситуация оказалась нестандартной благодаря одновременному проведению на околоземной орбите эксперимента ГЕЛИКОН. Его аппаратура, близкая по характеристикам к аппаратуре КОНУС-ВИНД, оказалась «защищена» Землей от прямого воздействия излучения гигантской вспышки. Но яркость начального импульса вспышки была столь велика, что детекторы ГЕЛИКОН смогли зарегистрировать его отражение от поверхности Луны! Анализ отраженного излучения позволил корректно восстановить временной профиль гигантской вспышки и оценить ее полную энергию 10 в 39 степени Дж и пиковую светимость 10 в 40 степени Дж/с. Они на несколько порядков величины превосходили по масштабу энергию событий подобного типа, наблюдавшихся ранее.

МНОГОКАНАЛЬНАЯ АСТРОНОМИЯ И КОНУС-ВИНД

К 2017 г. двумя недостающими элементами в картине феномена коротких гамма-всплесков была регистрация гравитационных волн от конечной стадии эволюции двойной системы нейтронных звезд и детектирование оптического излучения продуктов распада тяжелых элементов, образованных при разрушении нейтронных звезд. Эти явления были теоретически предсказаны, но зарегистрировать их до последних лет не было возможности.

И вот эти два недостающих элемента были найдены одновременно! 17 августа 2017 г. два детектора гравитационно-волновой обсерватории LIGO зарегистрировали сигнал от слияния двух нейтронных звезд на расстоянии порядка 40 Мпк (130 миллионов световых лет). Через 1,7 секунды короткий гамма-всплеск был зарегистрирован космическими обсерваториями Fermi и INTEGRAL (ЕКА).

Тогда, 17 августа, требовалось как можно быстрее и точнее локализовать гамма-всплеск, чтобы начать наблюдения с помощью других обсерваторий и обнаружить источник. В этой работе активно участвовала группа эксперимента КОНУС в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Хотя сам прибор не смог его наблюдать, сотрудники ФТИ использовали данные о времени распространения гамма-излучения между обсерваториями INTEGRAL и Fermi, чтобы «сузить» область поисков. Благодаря этой работе удалось сократить область локализации обсерватории Fermi примерно в три раза и надежней отождествить гамма-всплеск и источник гравитационных волн. В итоге ни у кого не осталось сомнений, что и наземные детекторы LIGO и космические обсерватории видели одно и то же событие. Это событие по праву сегодня считается началом «многоканальной астрономии» (multi-messenger astronomy), которая использует данные разной природы, – чтобы глубже понять физику исследуемого явления.

Подобная методика локализации гамма-всплеска может сузить область поиска электромагнитного излучения источника гравитационных волн в случае менее точной локализации LIGO и Virgo.

Важную информацию о процессах в источнике гамма-всплесков может дать не только детектирование гравитационных волн, но и его отсутствие. Первым примером такого анализа может служить поиск гравитационного излучения от короткого всплеска GRB OS 1103, который был зарегистрирован КОНУС-ВИНД и локализован IPN (статья была опубликована в 2007 г. в журнале «Письма в “Астрофизический журнал”»). Локализация этого всплеска наложилась на группу галактик М81/М82 на расстоянии 3,6 Мпк от нашей Галактики. Это событие могло быть как случайным наложением, так и гигантской вспышкой мягкого гамма-репитера или гамма-всплеском в близкой галактике. Ретроспективный анализ данных LIGO (опубликован в Astrophysical Journal, 755, 2, 2012) показал, что GRB 051103, вероятно, не мог быть вызван слиянием нейтронных звезд в группе галактик М81/М82. Подобный анализ был проведен для короткого всплеска GRB 150906В, в локализацию которого попала группа галактик NGC3313 на расстоянии 54 Мпк, и в этом случае оказалось, что гамма-всплеск пришел к нам с большего расстояния, а не произошел вблизи NGC3313.

Гравитационные детекторы могут регистрировать не только слияния нейтронных звезд и черных дыр, которые вращаются друг вокруг друга на расстоянии порядка собственного радиуса в последние секунды перед слиянием. Считается, что источниками гравитационных волн могут также быть несимметричный коллапс ядра массивной звезды или неустойчивость в аккреционном диске черной дыры, которая образовалась при коллапсе, а где коллапс – там может быть и длинный гамма-всплеск. Результаты поиска гравитационных сигналов от гамма-всплесков, в том числе с использованием данных КОНУС-ВИНД, были опубликованы в 2019 г. в The Astrophysical Journal, и единственным событием, сопровождавшимся детектированием гравитационных волн, оказался знаменитый всплеск 17 августа 2017 г. Для остальных событий было получено максимальное расстояние с разбросом от 10 до 100 Мпк, на котором они могли бы быть обнаружены детекторами LIGO в предположении различных моделей источников гравитационного излучения. Хотя полученные расстояния и малы по сравнению с типичным удалением источников гамма-всплесков, они позволяют исключить образование гамма-всплесков в близких галактиках, что очень важно для наблюдения коротких гамма-всплесков.

Текущий этап наблюдений гравитационных обсерваторий, начавшийся в апреле 2019 г., продлится до мая 2020 г. Детектирование (или не детектирование) новых слияний нейтронных звезд позволят уточнить оценку частоты таких событий, позволят ограничить модели эволюции двойных звезд и дадут новые знания о природе коротких гамма-всплесков, при этом наблюдения в гамма-диапазоне обсерваториями Fermi, Swift и КОНУС-ВИНД будут играть ключевую роль.

Данные эксперимента КОНУС-ВИНД и IPN используются также для анализа сигналов детекторов нейтрино и при анализе вспышек сверхновых звезд. Таким образом, прибор «Конус» продолжает активную работу как инструмент новой эпохи современной астрономии.

В заключение отметим, что эксперимент КОНУС-ВИНД имеет самую длительную историю наблюдений активности Солнца в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазоне. Ими полностью охвачены два 11-летних цикла солнечной активности, а открытая научному сообществу база данных солнечных вспышек, зарегистрированных прибором, насчитывает многие тысячи событий. Продолжающиеся в эксперименте исследования солнечных вспышек важны в контексте понимания природы и механизмов их излучения, их связи с корональными выбросами массы, прогнозирования космической погоды и понимания природы солнечно-земных связей. И это вполне может стать темой отдельной статьи.