Ошибка в оценке энергии гамма-всплесков

Приведём определение гамма-всплеска из Википедии: "Гамма-всплеск - масштабный космический выброс энергии взрывного характера, наблюдаемый в отдалённых галактиках в самой жёсткой части электромагнитного спектра. Продолжительность типичного ГВ составляет несколько секунд, тем не менее он может длиться от миллисекунд до часа. За первоначальным всплеском обычно следует долгоживущее "послесвечение", излучаемое на более длинных волнах (рентген, УФ, оптика, ИК и радио)."

Из длительности гамма-всплеска (несколько секунд) следует, что он происходит в объёме порядка размеров звезды. Существует много гипотез звёздных катастроф, приводящих к гамма-всплеску: взрыв сверхновой, слияние нейтронных звёзд или нейтронной звезды и чёрной дыры и т.д. Но чтобы аргументировано обосновать механизм гамма-всплеска нужно прежде всего правильно оценить выделяющуюся при этом взрыве энергию.

В статье Б.Штерна "Гамма-всплески: секундные катастрофы галактического масштаба" анализируется энергия гамма-вслесков: "Энергия, выделенная при гамма-всплесках колеблется от 10⁵¹ до 10⁵⁴ эрг, если считать, что энергия излучена равномерно во все стороны. Что такое 10⁵⁴ эрг? Идеально эффективный ядерный взрыв килограмма урана даст 10²¹ эрг, идеальный термоядерный взрыв килограмма дейтерий-тритиевой смеси в три раза больше. В этом случае выделяется от 0.1% до 0.3% от энергии массы покоя вещества (масса покоя дается знаменитой формулой E = mc²). Если все Солнце (масса 10³³ грамм) взорвется как термоядерная бомба (что бывает с некоторыми типами звезд), выделится около 3♦10⁵¹ эрг - близко к тому, что излучается при не самых сильных всплесках.

Есть более эффективный механизм звездного взрыва - гравитационный коллапс звезды в черную дыру. Теоретически - выделяемая энергия может быть сравнима с mc², реально - большая ее часть уносится в черную дыру, наружу может быть выброшена энергия, эквивалентная 10% массы покоя (это довольно трудная оценка и она не точна). Для Солнца это 10⁵³ эрг, для массивной звезды все 10⁵⁴ эрг. Но куда пойдет эта энергия? В случае взрывов сверхновых большая ее часть уносится потоком труднонаблюдаемых нейтрино. А здесь мы имеем рекорд 10⁵⁴ эрг только в гамма-квантах! Скорее всего, энергия взрыва поменьше - просто она излучается неравномерно по направлениям и иногда мы попадаем в максимальный поток, как бы в луч прожектора (а пересчет на полную энергию делается в предположении об изотропном излучении)."

Интересно задаться вопросом: а как астрофизики определили эту упорно обсуждаемую величину энергии гамма-всплеска 10⁵⁴ эрг? А определили они её очень просто:

Возможны ли ошибки на каждом из этих трёх шагов? Рассмотрим процесс определения энергии пошагово.

Шаг 1, скорее всего, существенных ошибок не содержит.

На шаге 2, по-видимому, происходит завышение энергии по крайней мере на 3-4 порядка, так как согласно наблюдениям энергия излучается в виде двух узких струй (джетов), а не равномерно во все стороны (рис.1). Значит правильнее говорить об энергии от 10⁴⁸ до 10⁵¹ эрг.

На шаге 3 ошибки при определении энергии весьма вероятны, так как в настоящее время в астрофизике определение расстояний до излучающих объектов чревато возможностью грубых ошибок.

Но прежде чем переходить к анализу возможных ошибок при определении расстояний до источника гамма-всплеска, сопоставим, как согласуется предположение об энергии гамма-всплеска от 10⁵¹ до 10⁵⁴ эрг (статья Б.Штерна) с недавно полученными сведениями о гамма-всплеске в нашей Галактике ( статья О. Дакара "Гамма всплеск в Нашей Галактике" http://sites.google.com/site/vselennaazizn/home/vse-stati/gamma-vsplesk-v-nasej-galaktike).

В статье Штерна в разделе "Не приведи Господь!" дано гибельно-катастрофическое описание эффекта от гамма-всплеска для случая, если бы он вдруг произошёл в нашей Галактике. Из этого описания следует, что ни при мощности всплеска от 10⁵¹ до 10⁵⁴ эрг, ни при мощности от 10⁴⁸ до 10⁵¹ эрг ничто живое на Земле выжить не имеет шанса.

В статье О. Дакара сообщается, что были совместно рассмотрены данные от космической рентгеновской обсерватории NASA "Чандра" и данные от наземной обсерватории Паломар. Из совместного рассмотрения данных следовало, что всего несколько тысяч лет назад в нашей Галактике произошёл гамма-всплеск, взорвавшаяся звезда была расположена от Земли в 35 тысячах световых лет, а ее джет был направлен к нам под углом около 70 градусов. Показательно, что этот недавний гамма-всплеск не оставил в памяти людей никакого следа. А ведь в этот период уже были высокоразвитые цивилизации. Например, в Китае письменность начала формироваться более семи тысячелетий тому назад. Однако ни в письменных документах древности, ни в устных народных преданиях никаких сведений об этом событии нет.

Какие выводы можно сделать из этого сообщения? На мой взгляд прежде всего совершенно очевидны два вывода:

во-первых, приписываемая гамма-всплескам энергия сильно завышена,

во вторых, раз уж гамма-всплеск произошёл у нас дома, то это значит, что гамма-всплески могут происходить как в далёких, так и в близких объектах. А не только в далёких, как считается сейчас.

Имея это в виду, вернёмся к вопросу об определении расстояний до источника гамма-всплеска. Ответ на этот вопрос можно найти из сведений, приведенных в статье А.Козловского "Квазары и гамма-всплески задают новые загадки" (http://elementy.ru/news/430289) (хотя, справедливости ради, стоит отметить, что сам автор этого ответа не увидел). Автор приводит данные, полученные космической обсерваторией "Свифт". Утверждается, что почти в каждом наблюдении, когда астрономы подробно исследовали пространство в направлении гамма-всплеска, они обнаруживали галактику. Автор считает, что газ этой случайно попавшейся на луче зрения "заслоняющей" галактики создаёт в спектре гамма-всплеска тёмные линии поглощения и приводит поясняющий рисунок (рис.2). Загадка с точки зрения автора заключается в том, что на луче зрения по направлению к квазару такого регулярного появления "заслоняющих" галактик не наблюдается. В одном из комментариев к данной статье (ник комментатора dims) задаётся резонный вопрос: "Почему вообще перед каждым всплеском должна быть галактика, если они не связаны друг с другом?".

Автор вопроса совершенно прав: стопроцентная корреляция между гамма-всплесками и "заслоняющими" галактиками - это абсолютно фантастическое предположение. Да, газ галактики действительно создаёт линии поглощения в спектре гамма-всплеска. Но это газ его родной галактики, той самой, в недрах которой взорвалась звезда, породившая гамма-всплеск. Но и это ещё не всё. Известно, что гамма-всплески "обычно происходят в тех галактиках, где есть яркие области с активным звездообразованием и большим количеством ярких, массивных звезд, и наблюдаются около этих областей" (http://www.astronet.ru/db/msg/1214155). Иными словами, гамма-всплеск происходит в ядре галактики, или поблизости от ядра, то есть в глубоких слоях галактики. А в глубоких слоях галактики преобладает газ, аккрецирующий из межгалактического пространства на ядро галактики. Вот он то и создаёт тёмные линии поглощения. Причём в окрестности ядра галактики аккрецирующий газ удаляется от наблюдателя с околосветовой скоростью. Околосветовая скорость аккреции газа порождает смещённые в красную сторону линии поглощения. По линиям поглощения находят красное смещение z (как правило, близкое к единице), а по нему уже определяют расстояние до источника гамма-всплеска, используя для этого формулу Хаббла z =r* Н /c, (с - скорость света, Н - постоянная Хаббла).

В формуле Хаббла предполагается, что красное смещение z вызвано удалением галактики (вместе с интересующим нас источником гамма-всплеска). В данном же случае удаляется всего лишь аккрецирующий газ. Сама же галактика и взорвавшаяся в ней звезда к величине z не имеют никакого отношения и поэтому могут не только не удаляться, а даже напротив - приближаться к наблюдателю. Найденные красные смещения гамма-всплесков свидетельствуют лишь об одном: в окрестности ядра галактики скорость удаления аккрецирующего газа от наблюдателя имеет релятивистские значения с красным смещением z ~ 1. Разумеется, найденное по формуле Хаббла расстояние r, к истинному расстоянию до взорвавшейся звезды не имеет никакого отношения.

Высказанную точку зрении подтверждают сведения, приведенные в статье Б. Штерна: "В 90-х годах, когда американцы (НАСА) запустили Гамма Обсерваторию "Комптон", вообще все смешалось. Детекторы BATSE на Гамма Обсерватории регистрировали всплески почти ежедневно. Оказалось, что источники всплесков слишком равномерно распределены по небу… Хуже того, явно не досчитывались слабых всплесков: их распределение по яркости подразумевало, что у их распределения по расстоянию от нас есть край! Как будто мы сидим в центре сферического ограниченного облака гамма-всплесков".

На рис.3 схематически показано размещение квазаров и гамма-всплесков в окружающем нас пространстве, построенное по космологическим расстояниям. Космологические расстояния до квазаров и гамма всплесков определялись по формуле Хаббла и красным смещениям объектов. Красные смещения квазаров распределены в диапазоне от z = 0,158 до z = 6,4. Это даёт случайный разброс на рисунке жёлтых точек, обозначающих квазары. Для всех гамма-всплесков z ~ 1 и потому они дружным хороводом выстраиваются на одинаковом расстоянии от Земли, чего в природе не может реализоваться никогда.

Подведём итоги анализа, сделанного на основании сопоставления данных нескольких разных источников. Принятая в настоящее время энергия гамма-всплесков от 10⁵¹ до 10⁵⁴ эрг не соответствует действительности и является завышенной на много порядков. Причин завышения энергии гамма-всплесков две. Во-первых, предположение об изотропности гамма-излучения, в то время, как энергия излучается двумя узкими струями. Во-вторых, неправильная интерпретация красного смещения излучения z, найденного по линиям поглощения, и вследствие этого некорректное применение формулы Хаббла для вычисления расстояния r до источника гамма-всплеска.

До тех пор, пока истинная энергия гамма-всплеска не будет определена верно, все попытки объяснить природу гамма-всплесков будут оставаться беспочвенными.

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 3 марта 2012 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'