GLAST и другие космические истории

Внимание всех, кто интересуется исследованием Вселенной, в последние дни и недели было приковано к неполадкам бортового туалета на Международной космической станции и к проблемам с анализом проб марсианского грунта, добытых зондом «Феникс». Теперь с этими трудностями удалось справиться: космический челнок «Discovery» доставил на борт МКС необходимые для ремонта туалета запчасти, а эксперты, ответственные за реализацию проекта «Феникс», смогли растрясти слипшиеся комки марсианского грунта до такой консистенции, что они проскользнули, наконец, в отверстие печи-анализатора. Нам же это позволяет обратиться к другим проектам и достижениям в области астрофизики и космических исследований, ничуть не менее важным, но в силу вышеуказанных причин, возможно, выпавшим из поля зрения общественности или, по крайней мере, отошедшим на задний план.

Начнём с проекта, реализации которого астрофизики всего мира ожидали с особым нетерпением. В минувшую среду с космодрома на мысе Канаверал в штате Флорида ракета-носитель «Дельта-2» вывела на околоземную орбиту высотой 560 километров исследовательскую обсерваторию, обозначаемую аббревиатурой «GLAST». За ней скрывается «Gamma-ray Large Area Space Telescope», то есть космический гамма-телескоп с большой собирающей площадью. Изначально этот запуск планировался на 2005-й год, но потом из-за различных технических проблем его сроки неоднократно переносились. И вот, наконец, свершилось. Если не считать паруса солнечных батарей, размерами и формой обсерватория «GLAST» напоминает большой холодильник. Её масса – свыше 4-х тонн, но всё установленное на борту оборудование потребляет не больше энергии, чем стационарный фен для сушки волос – стандартная принадлежность любой парикмахерской. В проекте, помимо США, приняли участие научные организации Германии, Франции, Италии, Японии и Швеции. Стоимость проекта составила 690 миллионов долларов. Так какие же задачи предстоит решать новой гамма-обсерватории? Хотя из года в год в космос отправляются десятки аппаратов самого разного, в том числе, конечно, и научно-исследовательского назначения, с запуском именно этого спутника многие учёные связывают особые надежды. Как явствует уже из названия, главная задача аппарата «GLAST» состоит в изучении самого коротковолнового электромагнитного космического излучения – гамма-излучения. До поверхности Земли жёсткое гамма-излучение практически не доходит, поскольку поглощается земной атмосферой: это, конечно, радует, потому что иначе никакой жизни на нашей планете просто не существовало бы, но для астрофизиков это означает, что изучение источников космического гамма-излучения с Земли невозможно. Дейвид Томпсон (David Thompson), сотрудник Центра космических полётов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, заместитель научного руководителя проекта «GLAST», поясняет:

Мы знаем, что одним из основных классов объектов наблюдения будут блазары. Это ядра активных галактик со сверхмассивными чёрными дырами в центре. Чёрные дыры выбрасывают часть падающей на них материи обратно во Вселенную в виде двух узких струй субатомных частиц. Эти противоположно направленные струи протяжённостью в тысячи световых лет именуются джетами. В случае блазара наш взгляд направлен строго навстречу такому джету, мы как бы смотрим в дуло ружейного ствола. Затем мы рассчитываем обнаружить много пульсаров – этих стремительно вращающихся нейтронных звёзд. И, наконец, «GLAST» позволит узнать немало нового о крайне интересном и необычном явлении – гамма-всплесках.

Высокоэнергетические гамма-всплески, также называемые гамма-барстерами, особенно привлекают внимание исследователей. Это связано с тем, – считает российский учёный Борис Штерн, – что явление гамма-всплесков остаётся загадочным дольше, чем любое другое крупное астрономическое открытие второй половины двадцатого века. Для сравнения можно взять три близких по времени и по значимости открытия – пульсаров, квазаров и микроволнового реликтового излучения. Первое было объяснено практически сразу, второе понято в общих чертах на протяжении нескольких лет, третье досконально изучено к началу 90-х годов. А гамма-всплески, впервые зарегистрированные в конце 60-х годов и представленные научной общественности в 1973-м году, по сути, не поняты до сих пор. Известно, что эти вспышки бывают двух классов – короткие (продолжительностью в 2-3 десятые доли секунды) и длинные (продолжительностью от 2-х до 20-30-ти секунд и даже более) и что они приходят с равной вероятностью из любого направления. Учёным также удалось выяснить, что эти всплески порождены космическими катастрофами галактических масштабов, взрывами поистине невообразимой мощности, при которых за несколько секунд выделяется больше энергии, чем излучает наше Солнце за все 10 миллиардов лет своего существования. Хотя взрывы эти, как теперь выяснено, происходят далеко за пределами нашей галактики, на расстояниях, измеряемых миллиардами световых лет, гамма-всплески оказываются самыми яркими вспышками на небе – ярче квазаров и сверхновых. Но речь при этом, напомню, идёт не об оптическом, видимом, а о чрезвычайно коротковолновом гамма-диапазоне электромагнитного излучения далеко за пределами видимого спектра. Впрочем, следует иметь в виду, что гамма-всплески сопровождаются рентгеновским, ультрафиолетовым, а многие – и оптическим послесвечением. Вопрос о том, что является источником столь гигантских выбросов энергии, пока окончательно не решён, хотя считается, что длинные и короткие гамма-барстеры имеют различную природу. Длинные, скорее всего, возникают на последней стадии эволюции сверхмассивных звёзд, когда они сбрасывают свою внешнюю оболочку, а их ядро в результате гравитационного коллапса превращается в чёрную дыру. Чтобы отличить этот механизм от вспышки сверхновой, его именуют вспышкой гиперновой. Короткие гамма-барстеры порождены, скорее всего, слиянием двух нейтронных звёзд, нейтронной звезды с чёрной дырой или двух чёрных дыр. Как это ни удивительно, гамма-всплески происходят довольно часто – в среднем раз в сутки. Однако их наблюдение связано с рядом трудностей: во-первых, вспышка может быть зарегистрирована лишь в том случае, если она окажется в поле зрения гамма-телескопа, а во-вторых, обсерватория должна успеть с высокой точностью определить её координаты, чтобы на эту точку небосвода можно было направить другие инструменты – рентгеновские, оптические и так далее. Дейвид Томпсон говорит:

Чтобы наблюдать космическое гамма-излучение высоких энергий, надо иметь в виду, что такие фотоны ведут себя почти как элементарные частицы. На борту обсерватории «GLAST» нет телескопов в привычном понимании этого слова, их функцию выполняют детекторы частиц. В отличие от «обычных» оптических приборов, такой инструмент обладает чрезвычайно широким полем зрения: в каждый момент времени он охватывает одну пятую часть всего звёздного неба. Гамма-телескоп постоянно обшаривает весь небосвод, совершая за полтора часа полный оборот вокруг Земли, так что мы каждые три часа получаем очередную новую, самую актуальную картину звёздного неба в гамма-диапазоне.

Помимо основного инструмента – обзорного гамма-телескопа «LAT» (Large Area Telescope), – на борту обсерватории «GLAST» дополнительно установлен ещё и монитор гамма-всплесков «GBM» (Gamma-ray Burst Monitor). Этот прибор держит в поле зрения сразу весь небосвод – за исключением той его части, что заслонена Землёй. Зарегистрировав гамма-всплеск, монитор тут же посылает сигнал основному инструменту, который и производит все положенные измерения. Конечно, у обсерватории «GLAST» были предшественники – в частности, космическая гамма-обсерватория «Комптон», запущенная на орбиту в 1991-м году и в 2000-м году, несмотря на протесты исследователей, выведенная с орбиты из-за отказа одного из трёх гироскопов. Сходные задачи по изучению гамма-всплесков решает и спутник «Swift», запущенный в 2004-м году. Однако новая обсерватория обладает несравненно большими исследовательскими возможностями – хотя бы уже потому, что она в 30 раз чувствительнее любого из своих предшественников. А это крайне важно, ведь в диапазоне гамма-излучения Вселенная выглядит отнюдь не столь стабильной и неизменной, как в видимом свете. Здесь всё стремительно меняется, источники гамма-излучения внезапно вспыхивают и так же быстро затухают. Учёные даже надеются, что с помощью обсерватории «GLAST» им удастся добыть хоть какие-то сведения о природе загадочной тёмной материи, а возможно – и ещё более загадочной тёмной энергии. Проект рассчитан на 5 лет, но будет, скорее всего, продлён ещё на 5 лет. Правда, под другим названием: обсерваторию «GLAST» решено переименовать, открытый конкурс на лучшее новое название уже идёт полным ходом. Пока же учёные заняты проверкой и настройкой аппаратуры на борту – это займёт около 2-х месяцев. Первые измерения предполагается провести через 90 дней после выхода обсерватории на орбиту. Их результаты, как это принято у НАСА, будут выложены в Интернете и доступны всем желающим. Стив Ритц (Steve Ritz), главный научный руководитель проекта «GLAST», говорит:

Мы впервые сможем детально изучить ядра активных галактик и многие другие быстро изменяющиеся космические объекты. Предшественники этой обсерватории продемонстрировали нам лишь верхушку айсберга. Мы знаем, что «GLAST» позволит нам сделать новые открытия, потому что этот спутник во всех отношениях превосходит предшественников.

Впрочем, это не значит, что более старые исследовательские спутники следует списать в металлолом. Совсем недавно группе американских учёных удалось с помощью уже упоминавшегося спутника «Swift» стать свидетелями коллапса массивной звезды и рождения сверхновой, так сказать, в реальном времени. За последние сто лет наблюдений астрофизики зарегистрировали тысячи таких космических катастроф, но уже после того, как они произошли. Однако на сей раз молодому астроному Алишии Содерберг (Alicia Soderberg), лишь недавно защитившей диссертацию в Принстонском университете, невероятно повезло:

Это поистине знаменательный день. Мы – впервые! – увидели звезду в момент её взрыва.

Вообще-то Содерберг наблюдала сверхновую, вспыхнувшую в удалённой от нас на 90 миллионов световых лет галактике уже несколько недель назад. И вдруг в поле зрения телескопа вспыхнула вторая сверхновая:

Конечно, это выигрыш в лотерею. Вероятность появления двух сверхновых на протяжении нескольких недель в одной и той же галактике составляет 1 к 10-ти тысячам.

Мало того, что сама по себе вероятность такого события ничтожна, так исследовательнице посчастливилось ещё и оказаться в нужный момент в нужном месте:

Это была огромная звезда, в 20-30 раз массивнее Солнца. Израсходовав своё горючее, она претерпела гравитационный коллапс. Часть материи, устремившейся к центру тяжести звезды, была отброшена обратно и вырвалась сквозь оболочку в свободное космическое пространство, при этом возникла мощнейшая вспышка рентгеновского излучения. Её-то мы и увидели. Но весь этот фейерверк продолжался примерно 5 минут.

Рентгеновский фейерверк потух, но процесс разрушения звезды продолжался. В её центре образовалась нейтронная звезда или даже чёрная дыра, а сброшенная оболочка с колоссальной скоростью разлетелась во Вселенной. Алишия тотчас проинформировала о своём открытии крупные обсерватории всего мира, так что за дальнейшим рождением сверхновой следило больше глаз, чем когда бы то ни было раньше:

Наблюдения в полной мере подтвердили теорию сверхновых, которая частично восходит ещё к 60-м или к 70-м годам. Раньше у нас не было возможности её проверить, потому что нам не доводилось наблюдать взрыв звезды от начала до конца. Да и рентгеновская вспышка была до сих пор предсказана только теоретически. И вот теперь мы знаем во всех деталях, как происходит коллапс массивной звезды.

Наличие рентгеновской вспышки в начале процесса рождения сверхновой позволит уже через несколько лет наблюдать это явление совсем по-другому:

В прошлом все сверхновые были обнаружены, когда учёные наблюдали звёздное небо в диапазоне видимого света. Но в оптическом диапазоне сверхновая вспыхивает действительно ярко лишь через несколько недель после взрыва, когда наблюдать уже практически нечего. Сейчас готовятся к запуску новые спутники, которые будут обшаривать небо в диапазоне рентгеновского излучения. Вообще-то они предназначены для изучения чёрных дыр, но теперь мы можем с уверенностью сказать, что они будут обнаруживать и взрывы сверхновых, причём примерно раз в сутки.

А теперь вернёмся из далёкого космоса в нашу родную Солнечную систему – здесь тоже есть место открытиям. После того, как Плутон был лишён статуса планеты, в Солнечной системе осталось 8 планет. Однако и эта цифра может со временем измениться. Согласно расчётам учёных, орбита Меркурия – самой близкой к Солнцу планеты – столь нестабильна, что в один прекрасный день он может покинуть наше светило и устремиться в просторы космоса. Дело в том, что Меркурий испытывает мощное гравитационное воздействие – с одной стороны, Солнца, а с другой стороны, всех остальных планет и, прежде всего, газового гиганта Юпитера, самого массивного после Солнца объекта нашей системы. Грегори Лохлин (Gregory P. Laughlin), профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз, говорит:

Когда-нибудь в течение ближайших 5-ти миллиардов лет Юпитер и Меркурий попадут в резонанс. Период обращения Юпитера станет кратным периоду обращения Меркурия, газовый гигант будет регулярно, раз за разом, тянуть Меркурий к себе, и орбита Меркурия начнёт деформироваться, вытягиваться, становиться всё более эллиптической и может даже выйти в зону орбиты соседней планеты – Венеры. Это усилит гравитационное воздействие Венеры на Меркурий и ещё больше дестабилизирует его орбиту.

Орбита Меркурия не только вытянется, увеличится и её эксцентриситет. То есть с одной стороны она будет простираться всё дальше внутрь планетной системы, а с другой – всё больше приближаться к Солнцу. Калифорнийские учёные выполнили более тысячи расчётов на компьютерных моделях. Они показали, что существует вероятность столкновения Меркурия не только с Венерой, но даже с Землёй. Гораздо вероятнее, однако, постепенный уход Меркурия из центральной части Солнечной системы. Что, кстати, повысит стабильность орбит остальных планет. Но произойдёт это, самое раннее, через 40 миллионов лет.