¹6, 2003 ã.
© Î.Ñ. Óãîëüíèêîâ
Ãàììà-âñïëåñêè è ãðàâèòàöèîííûå ëèíçû
Î.Ñ. Óãîëüíèêîâ
Îëåã Ñòàíèñëàâîâè÷ Óãîëüíèêîâ, ê.ô.-ì.í.,
íàó÷íûé ñîòðóäíèê Àñòðîêîñìè÷åñêîãî öåíòðà Ôèçè÷åñêîãî èíñòèòóòà èì.Ï.Í. Ëåáåäåâà
è Èíñòèòóòà êîñìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ÐÀÍ.Âûõîä çà óçêèå ãðàíèöû âèäèìîãî èçëó÷åíèÿ êî âñåìó îáøèðíîìó äèàïàçîíó ýëåêòðîìàãíèòíîãî ñïåêòðà, ñîâåðøåííûé àñòðîíîìè÷åñêîé íàóêîé â ïðîøëîì âåêå, ïðèâåë ê îòêðûòèþ íîâûõ êëàññîâ íåáåñíûõ îáúåêòîâ. Çàãàäêó èõ ïðèðîäû îáû÷íî óäàâàëîñü ðàçðåøèòü ñ íåâåðîÿòíîé äëÿ àñòðîíîìèè áûñòðîòîé - çà íåñêîëüêî ëåò èëè äåñÿòèëåòèé. Íî åñòü è èñêëþ÷åíèÿ.
Òàèíñòâåííûå âñïûøêè
Áåç ïðåóâåëè÷åíèÿ ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ñàìûå çàãàäî÷íûå èç ýòèõ íîâûõ îáúåêòîâ - êîñìè÷åñêèå ãàììà-âñïëåñêè, óæå ïîòîìó, ÷òî èõ ïðèðîäó íå óäàëîñü ïîíÿòü òàê áûñòðî. Õîòÿ îíè áûëè îòêðûòû àìåðèêàíñêèìè ñïóòíèêàìè äîñòàòî÷íî äàâíî, â 60-õ ãîäàõ ïðîøëîãî âåêà [1], äàæå ñåé÷àñ, â âåêå íûíåøíåì, íà òåìó èõ ïðîèñõîæäåíèÿ âåäóòñÿ îæèâëåííûå ñïîðû è ïèøóòñÿ òûñÿ÷è íàó÷íûõ ðàáîò.
Ïî÷åìó æå ïðè÷èíà âîçíèêíîâåíèÿ ãàììà-âñïëåñêîâ - ýòèõ òàèíñòâåííûõ êîðîòêèõ (ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ îò äîëåé ñåêóíäû äî ìèíóò) âñïûøåê ãàììà-èçëó÷åíèÿ èç êîñìîñà - äî ñèõ ïîð îêîí÷àòåëüíî íå óñòàíîâëåíà? Ïðåæäå âñåãî äåëî â íèçêîì óãëîâîì ðàçðåøåíèè ñóùåñòâóþùèõ ïðèåìíèêîâ ãàììà-èçëó÷åíèÿ, íå äàþùåì âîçìîæíîñòè îòîæäåñòâèòü ãàììà-âñïëåñê ñ èçâåñòíûìè îáúåêòàìè íà íåáå.
Åùå îäíî ïðåïÿòñòâèå êðîåòñÿ â ñàìèõ ãàììà-âñïëåñêàõ, à òî÷íåå - â èõ èçîòðîïíîì ðàñïðåäåëåíèè ïî íåáåñíîé ñôåðå. Âñïëåñêè íå êîíöåíòðèðóþòñÿ â êàêîì-ëèáî íàïðàâëåíèè: íè ê ïëîñêîñòè Ãàëàêòèêè, íè ê ñêîïëåíèÿì ãàëàêòèê, âîîáùå íè ê êàêèì íåáåñíûì îáëàñòÿì! Êàê áûëî ñïðàâåäëèâî îòìå÷åíî â ñòàòüå [2] è ìíîãèõ äðóãèõ ðàáîòàõ, òàêàÿ ñèòóàöèÿ ìîæåò èìåòü ìåñòî òîëüêî â äâóõ ñëó÷àÿõ: ëèáî èñòî÷íèêè ãàììà-âñïëåñêîâ íàõîäÿòñÿ ê íàì î÷åíü áëèçêî ïî ñðàâíåíèþ ñî çâåçäàìè è äðóãèìè ñîñòàâëÿþùèìè íàøåé Ãàëàêòèêè, ëèáî, íàîáîðîò, îíè ÿâëÿþòñÿ îäíèìè èç ñàìûõ óäàëåííûõ îáúåêòîâ âî Âñåëåííîé.
Âòîðàÿ ãèïîòåçà ñî âðåìåíåì ïðèîáðåòàëà âñå áîëüøåå ÷èñëî ñòîðîííèêîâ, õîòÿ íà ïåðâûé âçãëÿä îíà êàæåòñÿ ôàíòàñòè÷åñêîé. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè ìû âèäèì ãàììà-âñïëåñêè ñ òàêèõ îãðîìíûõ ðàññòîÿíèé, òî êàêèìè æå ìîùíûìè äîëæíû áûòü ýòè âñïûøêè è êàêèå, áåç ïðåóâåëè÷åíèÿ, êîñìè÷åñêèå êàòàñòðîôû ìîãóò áûòü èõ ïðè÷èíîé? Íà ýòîò âîïðîñ óæå áûëî ïðåäëîæåíî íåñêîëüêî âàðèàíòîâ îòâåòà, è ñàìûé ïîïóëÿðíûé ñîñòîèò â òîì, ÷òî ãàììà-âñïëåñê âîçíèêàåò ïðè ñëèÿíèè òåñíîé ñèñòåìû èç äâóõ íåéòðîííûõ çâåçä. Îáðàùàÿñü ïî îðáèòàì âîêðóã îáùåãî öåíòðà ìàññ è òåðÿÿ ýíåðãèþ çà ñ÷åò èçëó÷åíèÿ ãðàâèòàöèîííûõ âîëí, çâåçäû ñáëèæàþòñÿ è â êîíöå êîíöîâ "ïàäàþò" äðóã íà äðóãà [3]. Ïîñêîëüêó íåéòðîííûå çâåçäû èìåþò îãðîìíóþ ïëîòíîñòü è î÷åíü ñèëüíîå ïîëå òÿãîòåíèÿ âáëèçè ïîâåðõíîñòè, ïîíÿòíî, ÷òî ýíåðãîâûäåëåíèå ïðè èõ ñëèÿíèè áóäåò êîëîññàëüíûì. Âûñêàçûâàëèñü òàêæå ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî èñòî÷íèêè ãàììà-âñïëåñêîâ ñõîæè ñî ñâåðõíîâûìè çâåçäàìè - ìàññèâíûìè ñâåòèëàìè, çàâåðøàþùèìè ñâîå ñóùåñòâîâàíèå ìîùíûì âçðûâîì.
Íî êàê ìîæíî ïðîâåðèòü òó èëè èíóþ ãèïîòåçó, åñëè ìû äàæå íå çíàåì òî÷íîãî íàïðàâëåíèÿ, îòêóäà ïðèøåë ñèãíàë? Äî íåäàâíåãî âðåìåíè îòâåòà íà ýòîò âîïðîñ ôàêòè÷åñêè íå áûëî. È ëèøü â êîíöå 90-õ ãîäîâ äâàäöàòîãî ñòîëåòèÿ ïðîèçîøëà íàñòîÿùàÿ ðåâîëþöèÿ â èññëåäîâàíèÿõ ãàììà-âñïëåñêîâ.
28 ôåâðàëÿ 1997 ã. ñ ïîìîùüþ èòàëî-ãîëëàíäñêîãî ñïóòíèêà "Beppo-SAX" âïåðâûå áûëî îáíàðóæåíî òàê íàçûâàåìîå ïîñëåñâå÷åíèå ãàììà-âñïëåñêà â ðåíòãåíîâñêîé îáëàñòè ñïåêòðà [4]. Ïðåäñòàâëÿÿ îãðîìíóþ âàæíîñòü äëÿ ïîíèìàíèÿ ïðèðîäû ãàììà-âñïëåñêîâ, äàííîå îòêðûòèå ïîçâîëèëî ãîðàçäî òî÷íåå îïðåäåëèòü êîîðäèíàòû âñïëåñêà íà íåáå. Âñêîðå áûëî íàéäåíî è îïòè÷åñêîå ïîñëåñâå÷åíèå, ÷òî åùå áîëüøå ïîâûñèëî òî÷íîñòü ëîêàëèçàöèè.
Çà ïðîøåäøèå ñ òåõ ïîð ïÿòü ëåò ðåíòãåíîâñêèå, îïòè÷åñêèå è ðàäèî-ïîñëåñâå÷åíèÿ áûëè çàìå÷åíû ó íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ âñïëåñêîâ, è ñî âðåìåíåì ýòî ÷èñëî íåóêëîííî óâåëè÷èâàåòñÿ. Çàñëóæèâàåò îñîáîãî âíèìàíèÿ ìîùíûé ãàììà-âñïëåñê 23 ÿíâàðÿ 1999 ã., ó êîòîðîãî îïòè÷åñêèé êîìïîíåíò áûë çàôèêñèðîâàí ñ ïîìîùüþ àâòîìàòè÷åñêîãî òåëåñêîïà ROTSE âî âðåìÿ ñàìîãî âñïëåñêà è îêàçàëñÿ íàñòîëüêî ÿðêèì, ÷òî åãî â ïðèíöèïå ìîæíî áûëî íàáëþäàòü â îáû÷íûé áèíîêëü [5]! È íàêîíåö, ïîëó÷åíû ïåðâûå òàê äîëãî îæèäàåìûå äàííûå - íà ìåñòå íåêîòîðûõ ïîñëåñâå÷åíèé ãàììà-âñïëåñêîâ îáíàðóæåíû äàëåêèå ãàëàêòèêè, à ó îòäåëüíûõ íàáëþäàëîñü çíà÷èòåëüíîå ñìåùåíèå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé â îáëàñòü áîëüøèõ äëèí âîëí ("êðàñíîå ñìåùåíèå"). Îáà ôàêòà óêàçûâàëè íà òî, ÷òî èñòî÷íèêè äàííûõ ãàììà-âñïëåñêîâ íàõîäÿòñÿ âíå íàøåé Ãàëàêòèêè íà î÷åíü áîëüøîì, êîñìîëîãè÷åñêîì ðàññòîÿíèè.
Èòàê, êîñìîëîãè÷åñêàÿ ãèïîòåçà ïðîèñõîæäåíèÿ ãàììà-âñïëåñêîâ ïîáåäèëà? Íî ÷èñëî âñïëåñêîâ ñ ïîñëåñâå÷åíèÿìè, ñîâïàâøèìè ïî ïîëîæåíèþ íà íåáå ñ äàëåêèìè ãàëàêòèêàìè, î÷åíü íåâåëèêî, âäîáàâîê âñå îíè îòíîñÿòñÿ ëèøü ê îäíîìó èç ïîäêëàññîâ, òàê íàçûâàåìûì äëèííûì âñïëåñêàì ñ ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ áîëåå 2 ñ. ßâëÿþòñÿ ëè âñå ãàììà-âñïëåñêè îòçâóêàìè äàëåêèõ êîñìè÷åñêèõ âçðûâîâ êîëîññàëüíîãî ìàñøòàáà, íóæíî ëè îòíîñèòü èõ èñòî÷íèêè íàðÿäó ñ êâàçàðàìè è àêòèâíûìè ÿäðàìè ãàëàêòèê ê ñàìûì óäàëåííûì èçâåñòíûì àñòðîíîìè÷åñêèì îáúåêòàì?
Äîïîëíèòåëüíûé àðãóìåíò ìîãëî áû îáåñïå÷èòü îäíî âàæíîå ñâîéñòâî, ïðèñóùåå âñåì èçâåñòíûì êëàññàì âíåãàëàêòè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Îíî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ñâåò, èäóùèé îò îïðåäåëåííîé ÷àñòè óäàëåííûõ îáúåêòîâ, âñòðå÷àÿ íà ñâîåì ïóòè ãàëàêòèêó, ñêîïëåíèå ãàëàêòèê èëè êàêîå-ëèáî äðóãîå îáðàçîâàíèå ñ áîëüøîé ìàññîé, ïðåòåðïåâàåò ãðàâèòàöèîííîå ëèíçèðîâàíèå (ðèñ.1). Çà ñ÷åò ýôôåêòà, ïðåäñêàçàííîãî îáùåé òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè, ëó÷è ñâåòà îò èñòî÷íèêà S âáëèçè ìàññû L îòêëîíÿþòñÿ, è â ðåçóëüòàòå íàáëþäàòåëü â òî÷êå O ôèêñèðóåò ñðàçó äâà èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà S ïî ðàçíûå ñòîðîíû îò ëèíçû L (íà ðèñ.1 ýòè èçîáðàæåíèÿ îáîçíà÷åíû êàê S1 è S2). Âïåðâûå ÿâëåíèå ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ áûëî îáíàðóæåíî äëÿ äàëåêîãî êâàçàðà â 1979 ã. [6], è ñ òåõ ïîð íàéäåíî óæå íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ïîäîáíûõ îáúåêòîâ. Åñëè ëèíçó L íåëüçÿ ñ÷èòàòü òî÷å÷íîé ìàññîé, ìû ìîæåì çàìåòèòü äàæå áîëüøå äâóõ èçîáðàæåíèé èñòî÷íèêà, ÷òî òîæå ÷àñòî âñòðå÷àåòñÿ íà íåáå [7].
Ðèñ.1. ßâëåíèå ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ íà òî÷å÷íîé ìàññå
(S - èñòî÷íèê, L - ìàññèâíîå òåëî, O - íàáëþäàòåëü,
S1 è S2 - èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà,
ïðè÷åì ÿðêîñòü èçîáðàæåíèÿ S1 áîëüøå, ÷åì ÿðêîñòü èçîáðàæåíèÿ S2).Íî åñëè êîñìè÷åñêèå ãàììà-âñïëåñêè èñõîäÿò îò óäàëåííûõ âíåãàëàêòè÷åñêèõ îáúåêòîâ, çíà÷èò, è ñðåäè íèõ äîëæíû ïîïàäàòüñÿ ãðàâèòàöèîííî ëèíçèðîâàííûå [3]. È åñëè áû ìû íàøëè ïîäîáíûå âñïëåñêè, ýòî ñòàëî áû óáåäèòåëüíûì äîêàçàòåëüñòâîì èõ âíåãàëàêòè÷åñêîé ïðèðîäû. Êàêèì îáðàçîì ìû ìîãëè áû íàáëþäàòü ãðàâèòàöèîííîå ëèíçèðîâàíèå äëÿ êîñìè÷åñêèõ ãàììà-âñïëåñêîâ, ïî êàêèì ïðèçíàêàì ñëåäóåò èñêàòü âîçìîæíûõ "êàíäèäàòîâ" è ÷òî äàåò òàêîé ïîèñê? Ïîïûòàåìñÿ îòâåòèòü íà ýòè âîïðîñû.
Ñëåäû ëèíçèðîâàíèÿ
Ïðåæäå ÷åì èñêàòü êîñìè÷åñêèå ãàììà-âñïëåñêè, ïîäâåðãøèåñÿ ãðàâèòàöèîííîìó ëèíçèðîâàíèþ, íóæíî ïîíÿòü, êàêèì îáðàçîì ìîæíî èõ ðàñïîçíàòü. Âåäü ïðîñòî óâèäåòü äâà èçîáðàæåíèÿ ïî ðàçíûå ñòîðîíû îò ëèíçû, êàê ýòî ïðîèñõîäèò ñ îïòè÷åñêèìè îáúåêòàìè, â ãàììà-îáëàñòè ìû íå ñìîæåì: óãëîâîå ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè áóäåò íå áîëåå 1-2¢¢, ÷òî íàõîäèòñÿ äàëåêî çà ïðåäåëàìè óãëîâîãî ðàçðåøåíèÿ äëÿ äàííîé ÷àñòè ñïåêòðà.  òðóäíîé ñèòóàöèè íà âûðó÷êó ïðèõîäèò äðóãîå ñâîéñòâî ãàììà-âñïëåñêîâ - èõ êðàòêîâðåìåííîñòü.
Âíîâü îáðàòèìñÿ ê ðèñ.1 è çàìåòèì, ÷òî âðåìÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñèãíàëà îò èñòî÷íèêà äî íàáëþäàòåëÿ ïî äâóì òðàåêòîðèÿì ðàçëè÷íî. Âî-ïåðâûõ, ñàìè òðàåêòîðèè èìåþò ðàçíóþ äëèíó, à âî-âòîðûõ, âáëèçè ìàññû L ïðîõîæäåíèå ñèãíàëà çàìåäëÿåòñÿ çà ñ÷åò ýôôåêòà Øàïèðî, îäíîãî èç ñëåäñòâèé îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè.  èòîãå ñèãíàë, ïðîøåäøèé íà áîëüøåì ðàññòîÿíèè îò òî÷å÷íîé ëèíçû, áóäåò çàðåãèñòðèðîâàí ðàíüøå. À åñëè ñàì èñòî÷íèê èçëó÷àåò êðàòêîâðåìåííûé èìïóëüñ ãàììà-ëó÷åé, òî äâà èìïóëüñà äîñòèãíóò íàáëþäàòåëÿ îäèí ïîñëå äðóãîãî.
Îáà èìïóëüñà äîëæíû èìåòü îäèíàêîâóþ ôîðìó è îäèíàêîâûå ñïåêòðû, òàê êàê êàðòèíà ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ íå çàâèñèò îò ÷àñòîòû èçëó÷åíèÿ. À åñëè ëèíçà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òî÷å÷íóþ ìàññó, ïîÿâëÿåòñÿ åùå îäíî âàæíîå ñâîéñòâî: ïåðâûé ïî âðåìåíè èìïóëüñ äîëæåí áûòü ÿð÷å, ÷åì âòîðîé.  èíûõ ñëó÷àÿõ ïîñëåäíèé ïðèçíàê ìîæåò îòñóòñòâîâàòü, îäíàêî âñå ðàâíî áîëåå âåðîÿòíî, ÷òî äâà (èëè áîëåå) èìïóëüñà áóäóò ðåãèñòðèðîâàòüñÿ â ïîðÿäêå óìåíüøåíèÿ èõ ÿðêîñòè.
Âåëè÷èíà âðåìåííÎé çàäåðæêè ìåæäó èìïóëüñàìè çàâèñèò îò ìàðøðóòà ëó÷åé è ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ìàññå ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû. È ïîñêîëüêó âèä ëèíçèðîâàííîãî âñïëåñêà ñèëüíî çàâèñèò îò òèïà ëèíçû, ñòîëü æå ñèëüíî îò íåãî çàâèñèò è ìåòîäèêà ïîèñêà ïîäîáíûõ ãàììà-âñïëåñêîâ.
Ñàìûé î÷åâèäíûé âèä ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ, êîòîðûé íàáëþäàåòñÿ äëÿ èçâåñòíûõ âíåãàëàêòè÷åñêèõ îáúåêòîâ è êîòîðûé â ïåðâóþ î÷åðåäü èìååò ñìûñë èñêàòü äëÿ êîñìè÷åñêèõ ãàììà-âñïëåñêîâ, - ýòî ìàêðîëèíçèðîâàíèå, êîãäà ðîëü ëèíçû èãðàåò ìàññèâíàÿ ãàëàêòèêà èëè äàæå ñêîïëåíèå ãàëàêòèê, ëåæàùåå áëèç òðàåêòîðèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà îò èñòî÷íèêà ê íàáëþäàòåëþ. Ñ ó÷åòîì èçâåñòíûõ çíà÷åíèé ìàññ ïîäîáíûõ îáúåêòîâ ìîæíî âû÷èñëèòü, ÷òî âðåìåííÀÿ çàäåðæêà ìåæäó èìïóëüñàìè ñîñòàâèò ìåñÿöû èëè äàæå ãîäû! Òî åñòü ìû óâèäèì íå äâîéíîé ãàììà-âñïëåñê, à äâà ðàçíûõ âñïëåñêà, íî ïðèøåäøèå èç îäíîé è òîé æå îáëàñòè íåáà è èìåþùèå ïîäîáíûå âðåìåííÛå ïðîôèëè è ñïåêòðû. Íà îñíîâå ÷èñëà íàáëþäàåìûõ ëèíçèðîâàííûõ èñòî÷íèêîâ ìîæíî ãðóáî îöåíèòü: èç èçâåñòíûõ íåñêîëüêèõ òûñÿ÷ ãàììà-âñïëåñêîâ 10-20 äîëæíû áûòü ìàêðîëèíçèðîâàííûìè. Êàçàëîñü, äåëî îñòàåòñÿ çà ìàëûì: íàéòè ýòè âñïëåñêè, è ãèïîòåçà èõ âíåãàëàêòè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ ïîäòâåðäèòñÿ îêîí÷àòåëüíî...
Íåóäèâèòåëüíî, ÷òî ïîèñê ïîäîáíûõ ïàð ãàììà-âñïëåñêîâ ñòàë öåëüþ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ðàáîò, ïðîâîäèìûõ èññëåäîâàòåëÿìè â ðàçíûõ ñòðàíàõ (ñì. íàïð., [8] è [9]). Ïîèñêè âåëèñü ñ èñïîëüçîâàíèåì äàííûõ î áîëüøåé ÷àñòè èçâåñòíûõ ãàììà-âñïëåñêîâ, íàñêîëüêî ýòî òîëüêî áûëî âîçìîæíî. Íî... óñèëèÿ îêàçàëèñü òùåòíûìè. Íè îäíîìó èññëåäîâàòåëþ íå óäàëîñü íàéòè õîòÿ áû îäíó ïàðó âñïëåñêîâ, ïîëíîñòüþ îòâå÷àþùóþ ïðèçíàêàì ìàêðîëèíçèðîâàíèÿ. Ýòîò ðåçóëüòàò âíóøàë áîëüøèå ñîìíåíèÿ â òîì, ÷òî ïðîáëåìà ïðîèñõîæäåíèÿ ãàììà-âñïëåñêîâ óæå ðåøåíà, âíîâü ñòàâèë çíàê âîïðîñà è ïðèçûâàë ê äèñêóññèè. Êîíå÷íî, ó ñòîðîííèêîâ âíåãàëàêòè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ ãàììà-âñïëåñêîâ îñòàâàëèñü àðãóìåíòû â ñâîþ ïîëüçó. Ãäå ãàðàíòèÿ òîãî, ÷òî ìû íå ìîãëè ïðîïóñòèòü îäíó èç äâóõ êîìïîíåíò ëèíçèðîâàííîãî âñïëåñêà èç-çà åå ñëàáîñòè èëè ïðîñòî ïîòîìó, ÷òî â ýòîò ìîìåíò íè îäèí èç ãàììà-òåëåñêîïîâ íå ïðîâîäèë íàáëþäåíèÿ? À ìîæåò, åå êîîðäèíàòû áûëè èçìåðåíû íàñòîëüêî íåòî÷íî, ÷òî ìû ïðèíÿëè ïàðó çà äâà âñïëåñêà, ïðèøåäøèå èç ðàçíûõ îáëàñòåé íåáà?
Èòàê, îñòàâàëèñü íåðåøåííûå âîïðîñû, è òðåáîâàëèñü äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ è íîâûå ìåòîäû ïîèñêà. Èìåííî â ýòîò ìîìåíò ïîðà âñïîìíèòü, ÷òî íå òîëüêî ãèãàíòñêàÿ ãàëàêòèêà ìîæåò âñòàòü íà ïóòè ëó÷åé îò èñòî÷íèêà ê íàáëþäàòåëþ. Ãðàâèòàöèîííîé ëèíçîé ìîæåò "ðàáîòàòü" è áîëåå ëåãêèé îáúåêò, íàïðèìåð êàðëèêîâàÿ ãàëàêòèêà èëè øàðîâîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå, êîèõ âî Âñåëåííîé âåëèêîå ìíîæåñòâî, à íà áîëåå ðàííèõ ýòàïàõ åå ñóùåñòâîâàíèÿ (êîòîðûå ìû ôàêòè÷åñêè è íàáëþäàåì, êîãäà âèäèì ñàìûå óäàëåííûå èñòî÷íèêè) áûëî åùå áîëüøå. Äà, âåðîÿòíîñòü òàêîãî òèïà ëèíçèðîâàíèÿ ìîæåò áûòü ìåíüøå, íî íàñêîëüêî ëåã÷å åãî íàéòè äëÿ ãàììà-âñïëåñêîâ! Âåäü òåïåðü èíòåðâàë ìåæäó äâóìÿ èìïóëüñàìè óæå íå áóäåò òàêèì áîëüøèì, à ñîñòàâèò âñåãî íåñêîëüêî ñåêóíä, ÷òî ñðàâíèìî ñ ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ ñàìîãî âñïëåñêà. Ìû óæå óâèäèì îäèí âñïëåñê, íî ñ õàðàêòåðíîé äâîéñòâåííîñòüþ (èëè äàæå êðàòíîñòüþ) âðåìåííÎãî ïðîôèëÿ, è áîëüøå íå íàäî áóäåò ñðàâíèâàòü êîîðäèíàòû è âåñòè ïîèñêè âòîðîé êîìïîíåíòû íà îãðîìíûõ âðåìåííû˜õ èíòåðâàëàõ.
Åñòü è åùå îäíà îñîáåííîñòü äàííîãî òèïà ãðàâèòàöèîííîãî ëèíçèðîâàíèÿ (îíî íàçûâàåòñÿ ìåçîëèíçèðîâàíèåì), îòìå÷åííàÿ â ñòàòüÿõ [10] è [11], êîòîðàÿ ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåò âåðîÿòíîñòü åãî íàáëþäåíèÿ. Ýòà îñîáåííîñòü ñâÿçàíà ñ âîçìîæíîñòüþ çàìåòíîãî óñèëåíèÿ ÿðêîñòè èçîáðàæåíèÿ èñòî÷íèêà ïîäîáíîé ãðàâèòàöèîííîé ëèíçîé. Íà ðèñ.2 ïðèâåäåíà ñõåìà ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà ñêâîçü ÿäðî øàðîâîãî çâåçäíîãî ñêîïëåíèÿ. Êàê áûëî ïîêàçàíî â ðàáîòå [10], îáðàçîâàíèå ñ âíóòðåííèì ðàñïðåäåëåíèåì ìàññû, õàðàêòåðíûì äëÿ òàêèõ ñêîïëåíèé, â êà÷åñòâå ãðàâèòàöèîííîé ëèíçû ïðîÿâëÿåò î÷åíü èíòåðåñíûå ñâîéñòâà. Ëèíçà òàêîãî òèïà, â îòëè÷èå îò òî÷å÷íîé, ãîðàçäî áîëüøå ïîõîæà íà îïòè÷åñêóþ, è ó íåå èìååòñÿ íåêîå ïîäîáèå ôîêóñà, â êîòîðîì ïðàêòè÷åñêè ñõîäÿòñÿ ëó÷è, ñîáðàííûå ñî çíà÷èòåëüíîé ïëîùàäè. È åñëè ïî âîëå ñëó÷àÿ íàáëþäàòåëü îêàæåòñÿ âáëèçè ýòîé òî÷êè, îí çàðåãèñòðèðóåò ìíîãîêðàòíîå óñèëåíèå ÿðêîñòè èñòî÷íèêà.
Ðèñ. 2. Õîä ëó÷åé óäàëåííîãî èñòî÷íèêà ïðè ãðàâèòàöèîííîì ëèíçèðîâàíèè íà øàðîâîì çâåçäíîì ñêîïëåíèè, ðàññ÷èòàííûé ïî ôîðìóëàì èç ðàáîòû [10]. Îêðóæíîñòü ñîîòâåòñòâóåò ÿäðó ñêîïëåíèÿ, ìàñøòàá ïî ãîðèçîíòàëè è âåðòèêàëè íåîäèíàêîâ. Ëó÷è, ïðîõîäÿùèå âíóòðè ÿäðà ñêîïëåíèÿ, ñîáèðàþòñÿ ïðàêòè÷åñêè â îäíó òî÷êó, êîòîðàÿ ïî àíàëîãèè ñ îïòè÷åñêîé ëèíçîé áûëà íàçâàíà ôîêóñîì. Âáëèçè ôîêóñà, à òàêæå ïîâåðõíîñòè êîíè÷åñêîé êàóñòèêè, âûõîäÿùåé èç íåãî, ÿðêîñòü èçîáðàæåíèÿ ðåçêî âîçðàñòàåò (äëÿ íàãëÿäíîñòè ìàñøòàá ïî ãîðèçîíòàëè íå âûäåðæàí).Âäîáàâîê óãîë ïðåëîìëåíèÿ ëó÷åé, ïðîõîäÿùèõ ÷óòü äàëüøå îò öåíòðà, î÷åíü ñëàáî çàâèñèò îò ïðèöåëüíîãî ðàññòîÿíèÿ. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âî âíåøíèõ îáëàñòÿõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé ïëîòíîñòü ìàòåðèè óáûâàåò ñ ðàññòîÿíèåì îò öåíòðà r êàê r-3, ïîýòîìó ìàññà ÷àñòè ñêîïëåíèÿ, íàõîäÿùåéñÿ âíóòðè ñôåðû ðàäèóñà r, ïðîïîðöèîíàëüíà ln(r). Óãîë ïðåëîìëåíèÿ ëó÷åé ñâåòà ïðèìåðíî ïðîïîðöèîíàëåí ln(r)/r. Äàííàÿ çàâèñèìîñòü èìååò ìàêñèìóì, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ êîíè÷åñêîé êàóñòèêè, êîòîðàÿ âûõîäèò èç ôîêóñà ïîä óãëîì, áëèçêèì ê óãëó ìàêñèìàëüíîãî îòêëîíåíèÿ ëó÷åé. Íàáëþäàòåëü, íàõîäÿùèéñÿ íà ïðîäîëæåíèè ïðÿìîé èñòî÷íèê-ëèíçà è âáëèçè ïîâåðõíîñòè êîíè÷åñêîé êàóñòèêè, óâèäèò èñòî÷íèê áîëåå ÿðêèì, ÷åì îí åñòü íà ñàìîì äåëå.Äà è âíóòðè êîíè÷åñêîé êàóñòèêè óñèëåíèå ÿðêîñòè áóäåò çíà÷èòåëüíûì, ÷òî âèäíî ïî áîëüøîé ïëîòíîñòè ëèíèé-ëó÷åé â ýòîé îáëàñòè íà ðèñóíêå. Âçãëÿíóâ íà íåãî âíèìàòåëüíåé, ìîæíî çàìåòèòü, ÷òî â êàæäóþ òî÷êó âíóòðè êîíóñà ñõîäÿòñÿ íå äâà, à ñðàçó òðè ðàçíûõ ëó÷à - èìåííî ñòîëüêî èçîáðàæåíèé èñòî÷íèêà ìîæåò áûòü âèäíî èç äàííîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà. Ñëåäîâàòåëüíî, â ñëó÷àå ìåçîëèíçèðîâàíèÿ ãàììà-âñïëåñêà âåëèêà âåðîÿòíîñòü, ÷òî ñòðóêòóðà åãî ïðîôèëÿ áëåñêà áóäåò óæå òðîéñòâåííîé, õîòÿ è äâîéñòâåííàÿ òîæå âîçìîæíà (åñëè ëèíçà êîìïàêòíà èëè íàáëþäàòåëü íàõîäèòñÿ íàìíîãî äàëüøå ôîêóñà). Ñîîòíîøåíèå ÿðêîñòè è î÷åðåäíîñòè èìïóëüñîâ â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò îêàçàòüñÿ ëþáûì, îäíàêî îïÿòü-òàêè áîëåå âåðîÿòíî íàáëþäåíèå äâóõ èëè òðåõ èìïóëüñîâ â ïîðÿäêå óáûâàíèÿ èõ ÿðêîñòè.
Íåîáõîäèìî òàêæå îòìåòèòü, ÷òî ôîêóñíûå ðàññòîÿíèÿ ìåçîëèíçèðîâàíèÿ äëÿ òèïè÷íûõ øàðîâûõ ñêîïëåíèé ñîñòàâëÿþò íåñêîëüêî ÌÏê, è ìû ìîæåì óâèäåòü äàííûé ýôôåêò òîëüêî îò ñêîïëåíèÿ, ðàñïîëîæåííîãî â äðóãîé ãàëàêòèêå, à èñòî÷íèê ãàììà-âñïëåñêà ïðè ýòîì äîëæåí íàõîäèòüñÿ îò íàñ åùå äàëüøå. Òåì ñàìûì ýôôåêò ìåçîëèíçèðîâàíèÿ, êàê è ìàêðîëèíçèðîâàíèÿ, âïîëíå ìîæåò ñëóæèòü íàäåæíûì ïîäòâåðæäåíèåì âíåãàëàêòè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ ãàììà-âñïëåñêîâ. Óäàñòñÿ ëè íàì íàéòè "êàíäèäàòîâ" - äâîéíûå èëè òðîéíûå âñïëåñêè ñ ïîäîáíûìè ïðîôèëÿìè áëåñêà è ñïåêòðàìè êîìïîíåíò, èëè è çäåñü íàñ áóäåò æäàòü íåóäà÷à?
Äîëãîæäàííûé óñïåõ?
Äëÿ ïîèñêà ãàììà-âñïëåñêîâ, îáëàäàþùèõ îïèñàííûìè âûøå ñâîéñòâàìè, áûëà èñïîëüçîâàíà ïîëíàÿ âåðñèÿ êàòàëîãà BATSE, ñîçäàííîãî íà îñíîâå äàííûõ Êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè èì. Êîìïòîíà (ÑØÀ) çà âñå âðåìÿ åå ðàáîòû ñ 1991 ïî 2000 ã. Êàòàëîã ñîäåðæèò äàííûå î 2704 ãàììà-âñïëåñêàõ, èç êîòîðûõ áûëè îòîáðàíû 1512 âñïëåñêîâ ñ çàðåãèñòðèðîâàííûìè ñïåêòðàìè è ñ íàäåæíûìè ïðîôèëÿìè ÿðêîñòè, èçìåðåííûìè ïðè âûñîêîì âðåìåííÎì ðàçðåøåíèè. Ñðåäè ýòîãî ìíîæåñòâà âñïëåñêîâ è ïðîâîäèëñÿ ïîèñê âîçìîæíûõ ñëó÷àåâ ìåçîëèíçèðîâàíèÿ.
Íà ïåðâîì ýòàïå áûëè âèçóàëüíî îòîáðàíû âñïëåñêè ñ õàðàêòåðíîé äâîéíîé èëè òðîéíîé ñòðóêòóðîé ïðîôèëÿ ÿðêîñòè. Äàëåå îòäåëüíûå êîìïîíåíòû ïðîâåðÿëèñü ñ ïîìîùüþ ñòàòèñòè÷åñêîãî òåñòà íà ïîäîáèå äðóã äðóãó, àíàëîãè÷íûì îáðàçîì òåñòèðîâàëîñü ñõîäñòâî èõ ñïåêòðîâ, è, êàê âûÿñíèëîñü, èìåííî ñïåêòðàëüíîå ñõîäñòâî îêàçàëîñü ñàìûì æåñòêèì êðèòåðèåì îòáîðà.
È âñå æå "êàíäèäàòû" â ìåçîëèíçèðîâàííûå âñïëåñêè áûëè íàéäåíû! Ñðàçó 11 ãàììà-âñïëåñêîâ ñ äâîéñòâåííîé ñòðóêòóðîé ïðîôèëÿ ÿðêîñòè ïðîøëè âñå òåñòû. Íà ðèñ.3 ïîêàçàíû âðåìåííÛå çàâèñèìîñòè èõ ÿðêîñòè, èçìåðÿåìîé ÷èñëîì îòñ÷åòîâ â ñåêóíäó. Äëÿ êàæäîãî âñïëåñêà ïðèâåäåíî åãî îáîçíà÷åíèå, îáðàçîâàííîå íîìåðîì ãîäà, ìåñÿöà è äíÿ (ïî äâå öèôðû), è íîìåð ïî êàòàëîãó BATSE. Ìû âèäèì, ÷òî âðåìåííàÿ çàäåðæêà ìåæäó äâóìÿ êîìïîíåíòàìè èçìåíÿåòñÿ îò 0.5 ñ äî 50 ñ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ìàññàì ãðàâèòàöèîííûõ ëèíç â 105-106 ìàññ Ñîëíöà (ýòè çíà÷åíèÿ âïîëíå ñîãëàñóþòñÿ ñ ìàññàìè øàðîâûõ ñêîïëåíèé è êîñìîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ).
Ðèñ. 3. Ïðîôèëè ÿðêîñòè 11 âîçìîæíî ìåçîëèíçèðîâàííûõ ãàììà-âñïëåñêîâ.Íî ñàìûé ïîðàçèòåëüíûé ôàêò çàêëþ÷àåòñÿ â äðóãîì. Ïðè ïîèñêå "êàíäèäàòîâ" â ìåçîëèíçèðîâàííûå âñïëåñêè òðåáîâàíèÿ îòíîñèòåëüíî âçàèìíîé î÷åðåäíîñòè ÿðêîãî è ñëàáîãî èìïóëüñà íå íàêëàäûâàëèñü. È òåì íå ìåíåå ó âñåõ 11 "êàíäèäàòîâ" ïåðâûé èìïóëüñ îêàçàëñÿ áîëåå ÿðêèì! Åñëè ñõîäñòâî èìïóëüñîâ áûëî áû ñëó÷àéíûì, òî ïî òåîðèè âåðîÿòíîñòè êàðòèíà äîëæíà áûëà áûòü èíîé.
Èòàê, äâîéíûå âñïëåñêè íàéäåíû, è â äîñòàòî÷íîì êîëè÷åñòâå. À êàê áûòü ñ òðîéíûìè, âåäü èõ ìû òîæå äîëæíû áûëè áû óâèäåòü, è çäåñü óæå ãîðàçäî ìåíüøå âîçìîæíîñòü ñëó÷àéíîãî ñõîäñòâà èìïóëüñîâ?  ðåçóëüòàòå ïîèñêîâ òðîéíûõ âñïëåñêîâ íîâûõ "êàíäèäàòîâ" â ìåçîëèíçèðîâàíèå ê óæå íàéäåííûì 11 íå äîáàâèëîñü. Íî... òðåòèé èìïóëüñ áûë íàéäåí ó äâóõ èç ýòèõ 11 âñïëåñêîâ, GRB 911006 è GRB 930430B, ÷òî ìîæíî çàìåòèòü íà ðèñ.3, ñëåâà (ñëàáàÿ êîìïîíåíòà ñëåäóåò çà äâóìÿ äðóãèìè ó ïåðâîãî âñïëåñêà è ïðåäøåñòâóåò èì ó âòîðîãî). Òåñò íà ïîäîáèå ïðîôèëÿ ÿðêîñòè è ñïåêòðà äàííîãî èìïóëüñà ñ äðóãèìè äâóìÿ äàë ïîëîæèòåëüíûé ðåçóëüòàò ó îáîèõ âñïëåñêîâ. Èòàê, â íàøåì àðñåíàëå åñòü è äâà òðîéíûõ ãàììà-âñïëåñêà - áåññïîðíî, ñàìûå èíòåðåñíûå "êàíäèäàòû" â ìåçîëèíçèðîâàííûå.
Îñîáåííî öåíåí ãàììà-âñïëåñê GRB 911006, ó êîòîðîãî ìû íàáëþäàåì ïðàâèëüíóþ î÷åðåäíîñòü èìïóëüñîâ - â ïîðÿäêå óáûâàíèÿ ÿðêîñòè: ýòî ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåò âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ìû ñòîëêíóëèñü ñ ðåàëüíûì ìåçîëèíçèðîâàíèåì. Äàííûé âñïëåñê ïðèìå÷àòåëåí åùå è òåì, ÷òî ïîìèìî Êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè èì.Êîìïòîíà îí áûë çàðåãèñòðèðîâàí êîñìè÷åñêèì àïïàðàòîì "Ulysses". Ðàñïîëàãàÿ ðåçóëüòàòàìè íàáëþäåíèé èç äâóõ ïðîñòðàíñòâåííî ðàçíåñåííûõ òî÷åê, óäàëîñü ëîêàëèçîâàòü èñòî÷íèê ñ õîðîøåé òî÷íîñòüþ â òîíêîì êîëüöå íà íåáåñíîé ñôåðå ñ ïîìîùüþ ìåòîäà êîñìè÷åñêîé òðèàíãóëÿöèè [12]. Ýòà îáëàñòü íåáà (óçêàÿ ïîëîñà íà ðèñ.4) íå ïåðåêðûâàåòñÿ ñ îáëàñòüþ ëîêàëèçàöèè ïî ðåçóëüòàòàì òîëüêî Êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè (êðóã íà ðèñóíêå). Îäíàêî ïîñëåäíèå èìåþò êðàéíå íèçêóþ òî÷íîñòü. Íî ñàìîå èíòåðåñíîå çàêëþ÷àåòñÿ íå â ýòîì - ðÿäîì ñ òðèàíãóëÿöèîííîé ïîëîñîé ëîêàëèçàöèè, â òî÷êå, áëèæàéøåé ê êðóãó ëîêàëèçàöèè ïî äàííûì BATSE, íàõîäèòñÿ äîñòàòî÷íî ÿðêàÿ ãàëàêòèêà NGC 641. Øàðîâîå çâåçäíîå ñêîïëåíèå èç ãàëàêòèêè âïîëíå ìîãëî áû ñòàòü ãðàâèòàöèîííîé ëèíçîé äëÿ ïðîõîäÿùåãî ïîáëèçîñòè ñèãíàëà, ñîçäàâ êàðòèíó, êîòîðóþ è çàðåãèñòðèðîâàëà â îêòÿáðå 1991 ã., â ñàìîì íà÷àëå ñâîåé ðàáîòû, Êîñìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ èì. Êîìïòîíà...
Ðèñ. 4. Ëîêàëèçàöèÿ ãàììà-âñïëåñêà 6 îêòÿáðÿ 1991 ã. (BATSE 871) ïî äàííûì Êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè èì.Êîìïòîíà (êðóãîâàÿ îáëàñòü) è òðèàíãóëÿöèîííûì èçìåðåíèÿì ïî äàííûì ýòîé îáñåðâàòîðèè è àïïàðàòà "Ulysses" (òîíêàÿ ïîëîñà). Öâåòîì îáîçíà÷åíû ãàëàêòèêè.Åùå ÷óòü-÷óòü...Ìû ðàññêàçàëè î ïîèñêå ãàììà-âñïëåñêîâ, èñïûòàâøèõ, âîçìîæíî, ãðàâèòàöèîííîå ìåçîëèíçèðîâàíèå. Ê ñîæàëåíèþ, åùå íåëüçÿ óáðàòü èç ïðåäûäóùåãî ïðåäëîæåíèÿ ñëîâî "âîçìîæíî". Íî ñîâîêóïíîñòü âñåõ ôàêòîâ ãîâîðèò î çíà÷èòåëüíîé âåðîÿòíîñòè òîãî, ÷òî íåêîòîðûå èç íàéäåííûõ "êàíäèäàòîâ" ìîãóò äåéñòâèòåëüíî ÿâëÿòü ñîáîé ìåçîëèíçèðîâàííûå âñïëåñêè, à çíà÷èò, äàâàòü åùå îäèí âåñîìûé àðãóìåíò â ïîëüçó èõ âíåãàëàêòè÷åñêîé ïðèðîäû.
Ñåé÷àñ ìîæíî ñ óâåðåííîñòüþ ñêàçàòü: îäíà èç ñàìûõ áîëüøèõ àñòðîíîìè÷åñêèõ çàãàäîê äâàäöàòîãî âåêà - çàãàäêà ïðîèñõîæäåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ãàììà-âñïëåñêîâ - ïðèáëèæàåòñÿ ê ñâîåìó ðàçðåøåíèþ, êîòîðîå ñòàíåò îäíèì èç ïåðâûõ äîñòèæåíèé âåêà äâàäöàòü ïåðâîãî. È íåäàëåê òîò äåíü, êîãäà íà ñòðàíèöàõ íàó÷íûõ æóðíàëîâ âïåðâûå ïîÿâèòñÿ ñëîâîñî÷åòàíèå "ãðàâèòàöèîííî ëèíçèðîâàííûé ãàììà-âñïëåñê" áåç ñëîâà "âîçìîæíî".
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé. Ïðîåêò 02-02-06140.
Ëèòåðàòóðà
1. Klebesadel R.W., Strong I.B., Olson R.A. // Astrophysical Journal. 1973. V.182. P.L85-L88.
2. Êóðò Â.Ã., Òèõîìèðîâà ß.Þ., Øåéõåò À.È. // Êîñìè÷. èññëåä. 1996. Ò.34. ¹6. Ñ.564-570.
3. Paczynski B. // Astrophysical Journal. 1986. V.308. P.L43-L46.
4. Costa E., Frontera F., Heise J. et al. // Nature. 1997. V.387. P.783-785.
5. Akerlof C., Balsano R., Barthelmy R. et al. // Nature. 1999. V.398. P.400-402.
6. Walsh D., Carswell R.F., Weymann R.J. // Nature. 1979. V.279. P.381-384.
7. Refsdal S., Surdej J. // Rep. Prog. Phys. 1994. V.56. P.117-142.
8. Marani G.F., Nemiroff R.J., Norris J.P. et al. // Gamma-Ray Bursts: 4th Huntsville Symposium. 1998. P.166-174.
9. Êîìáåðã Á.Â., Êóðò Â.Ã., Êóçíåöîâ À.Â. // Àñòðîí. æóðí. 1999. Ò.76. ¹9. Ñ.665-671.
10. Yakovlev D.G., Mitrofanov I.G., Levshakov S.A., Varshalovich D.A. // Astrophysics and Space Science. 1983. V.91. P.133-155.
11. Áàðûøåâ Þ.Â., Åçîâà Þ.Ë. // Àñòðîí. æóðí. 1999. Ò.74. ¹4. Ñ.497-508.
12. Hurley K., Briggs M.S., Kippen R.M. et al. // Astrophysical Journal Supplements. 1999. V.120. P.399-408.
Ìàé 2003
