меню содержание news218 news219 news220
Вероятность гамма-вспышек значительно ниже в крупных галактиках
с большим количеством тяжелых элементов
|
Гамма-всплески (gamma-ray bursts - GRBs) - это самые мощные звездные взрывы во Вселенной. И по-
добная "неприятность" в основном случается со звездами, масса которых в десятки раз превышает мас-
су нашего Солнца. Такой взрыв порождает два смертельных пучка гамма-излучения, направленных в
противоположные стороны (исходящие из северного и южного магнитных полюсов обреченной звез-
ды). Мнения ученых о том, что же собой представляют гамма-всплески, за сорок лет их изучения так
до конца не устоялись, однако чаще всего эти явления связывают с коллапсом массивных звезд с по-
следующим образованием черных дыр и с процессами слияния нейтронных звезд.
За пределами нашей Галактики гамма-всплески теперь, с введением в строй специализированных зон-
дов вроде Swift ( запущен NASA 27 ноября 2004 года ), наблюдаются достаточно часто (практически
ежедневно), поэтому естественно задаться вопросом, какова вероятность подобных событий в непо-
средственной близости от Земли, и чем это нам всем грозит. Ответ на второй вопрос, в общем-то,
ясен. Вычисления показывают, что гамма-излучение от относительно близкого ( несколько тысяч све-
товых лет) звездного взрыва, "обрабатывающего" Землю в течение всего лишь нескольких секунд, мо-
жет разрушить до половины защитного озонового слоя атмосферы, и тогда ультрафиолетовая радиация
от Солнца уничтожит большую часть жизни на суше и в приповерхностных слоях океанов, морей и
озер, необратимо нарушит те продовольственные цепочки, благодаря которым происходит питание
живых существ. Дело в том, что высокоэнергетичные гамма-лучи разбивают молекулы атмосферного
азота (N2) на отдельные атомы, которые вступают в реакцию с молекулярным кислородом (O2), в ре-
зультате чего получается окись азота (NO), которая в свою очередь разрушает озон (O3) и дает диоксид
азота (NO2). NO2 с атомарным кислородом опять же дает NO, разрушая все больше озона - процессы
носят лавинообразный характер. А восстановление озонового слоя в земной атмосфере ( до 90% ) мо-
жет длиться затем долгие годы..
С осознанием грозящей нам со стороны гамма-всплесков опасности появилась гипотеза, согласно ко-
торой один из таких гамма-всплесков стал причиной так называемой ордовикской катастрофы ( 450
миллионов лет назад ), случившейся приблизительно за 200 миллионов лет до динозавров и вызвав-
шей гибель 60 процентов всех морских беспозвоночных ( в те времена жизнь была еще в основном
связана с морем, хотя есть свидетельства появления в тот период и первых примитивных наземных
обитателей). Кроме этого печального события, за последние 600 миллионов лет на Земле насчитыва-
ют еще четыре случая массового исчезновения живых существ: это девонская катастрофа ( 370 милли-
онов лет назад), пермская ( 250 миллионов), триасовая ( 210 миллионов лет) и меловая ( 65 миллионов
лет назад). Не исключалось, что в каких-то из этих катастроф помимо "банальных" падений астероидов
также можно обвинить и гамма-всплески. Казалось бы, опасность близких гамма-всплесков нельзя ис-
ключить для Земли и в будущем..
Однако теперь группа астрономов из Университета штата Огайо ( Ohio State University - OSU, США ),
возглавляемая ученым польского происхождения Кшиштофом Станеком (Krzysztof Stanek) и нашим со-
отечественником Олегом Гнединым (работавшим когда-то в петербургском Физико-техническом инс-
титуте им. А.Ф.Иоффе), решила все-таки успокоить всех тех, кто мучим бессонницей в ожидании вне-
запной космической вспышки гамма-излучения: на самом деле подобный случай в пределах нашей
родной Галактики очень и очень маловероятен (публикация в Astrophysical Journal - ApJ).
Согласно новому исследованию, GRBs могут случаться в основном лишь в небольших бесформенных
галактиках, которые испытывают серьезный недостаток в химических элементах тяжелее водорода и
гелия ( астрономы зачастую условно называют подобные элементы "металлами" ). Но даже и среди
"бедных металлами" галактик подобные события все-таки достаточно редки - случаются они раз в нес-
колько лет. А наш Млечный путь самым радикальным образом отличается от подобных "GRB-галактик"
- это крупная спиральная галактика с большим количеством тяжелых элементов.
Пользуясь данными Слоановского цифрового обзора неба (Sloan Digital Sky Survey - SDSS), астрономы
провели статистический анализ параметров, связанных с четырьмя "длинными" гамма-всплесками
(т.е. порождаемыми, вероятно, превращением крупных звезд в черные дыры), зафиксированными в
близлежащих галактиках (с красным смещением z < 0.17), сравнив в первую очередь массу самих хозяй-
ских галактик, интенсивность формирования в них новых звезд и насыщенность "металлами" по срав-
нению с другими галактиками (изучалось в первую очередь распространенность кислорода). Выборка,
конечно, может показаться и не слишком-то обширной, но она оказалась вполне показательной: вся
четверка - это маленькие галактики с интенсивным звездообразованием и низким содержанием "ме-
таллов", причем в той галактике, что отличается максимальным для своего класса содержанием "метал-
лов" и наибольшей "похожестью" на Млечный путь, гамма-всплеск оказался самым слабым. Исходя из
этого, исследователи делают вывод, что наша Галактика вообще не могла бы оказаться "домом" для ка-
кого-либо такого гамма-всплеска на протяжении по крайней мере последних нескольких миллиардов
Все четыре галактики оказались небольшими, с высокими темпами образования звезд и низким содер-
жанием тяжелых химических элементов. Из четырех галактик только одна сравнима с нашей по коли-
честву металлов, но источник излучения в ней оказался самым слабым. Астрономы подсчитали, что
вероятность возникновения GRB в галактике данного типа составляет приблизительно 0,15%. Содер-
жание металлов в Млечном пути вдвое больше - следовательно, вероятность для Земли подвергнуться
радиоактивному облучению должна быть еще меньше, чем 0,15%.
Кроме всего прочего, тяжелые элементы требуются и для того, чтобы вокруг звезд могли бы образовы-
ваться планеты, поэтому любая опасная с точки зрения рождения гамма-всплесков галактика с низким
содержанием "металлов" автоматически будет обладать меньшим количеством планет и меньшими воз-
можностями для развития жизни. Этому "разумному" обстоятельству также нельзя не порадоваться.
Американский физик Адриан Мелотт (Adrian Melott) из Канзасского университета в Лоренсе (University
of Kansas), являющийся сторонником гипотезы о том, что массовое исчезновение видов на нашей Зем-
ле в конце ордовикского периода было вызвано гамма-всплеском, признает разумность аргументов
своих коллег, однако указывает на то, что раз в несколько сот миллионов лет Млечный путь все-таки
имеет обыкновение "проглатывать" очередную карликовую галактику, и вот эти-то карликовые галакти-
ки на самом деле бедны металлами и таким образом "потенциально взрывоопасны" с точки зрения
"длинных" GRBs. Кроме того, в новом исследовании речь не идет о "коротких" гамма-всплесках ( это
слияния двойных компактных объектов, по времени - менее одной-двух секунд), которые не столь
"привередливы" к окружающей их среде. Так что вопрос о возможности близкого гамма-всплеска все-
же пока остается открытым..
ccылки:
grani.ru/Society/Science/m.104683.html
cnews.ru/news/line/index.shtml?2006/04/21/200350
ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0604113
researchnews.osu.edu/archive/gammaray.htm
sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2006/412/1
по теме:
grani.ru/Society/Science/m.101432.html
grani.ru/Society/Science/m.100443.html
ntv.ru/programs/publicistics/gordon/arid=15586
Первые звезды во Вселенной были зажжены стерильными нейтрино
|
Эксперимент MiniBooNE (вид на детектор). MiniBooNE может подтвердить существование
сравнительно маломассивного стерильного нейтрино. Фото FNAL с сайта New Scientist
Открытие пока еще не обнаруженного типа нейтрино может помочь в разрешении целого ряда астро-
физических загадок, начиная с выяснения природы темной материи и заканчивая тайной рождения
первых звезд. Однако добыть неоспоримые доказательства существования этого типа частиц может
оказаться довольно сложной задачей.
Нейтрино - это элементарные частицы (они относятся к лептонам), в больших количествах рождаю-
щиеся в ядерных "топках" звезд, а еще больше их возникает при взрывах сверхновых. Ныне известно
три типа (сорта) нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино. За последние десять лет экспери-
ментальными методами удалось доказать, что нейтрино способны испытывать так называемые осцил-
ляции (neutrino oscillations), в ходе которых они переходят из одного типа в другой (сама идея осцилли-
рующих нейтрино (1957 г.) принадлежит выдающемуся итальянскому физику Бруно Понтекорво (Bruno
Pontecorvo, 1913-1993), работавшему в СССР - он указал на возможность смешивания электронного и
мюонного типов нейтрино). Теоретически это возможно только в том случае, если нейтрино обладают
ненулевой массой покоя.
К настоящему времени еще не удалось получить точные значения всех масс нейтрино (появились лишь
известные экспериментальные ограничения на них, для электронного нейтрино это меньше 3 эВ или
даже доли электронвольта), однако сам факт наличия таких масс, кажется, подразумевает, что должен
существовать и четвертый сорт нейтрино - так называемые стерильные нейтрино ( "sterile" neutrinos ).
Все три известных типа нейтрино имеют один и тот же спин (1/2) и одну и ту же спиральность - они
левополяризованные (антинейтрино, соответственно, правополяризованные). А стерильные нейтрино
появились "на кончике пера" как правые компоненты в теории Вайнберга-Глэшоу-Салама (объединив-
шей в свое время электромагнитные и слабые взаимодействия ). Стерильными они названы потому,
что не участвуют даже в обычных слабых взаимодействиях (с участием тяжелых промежуточных бозо-
нов W и Z) и с обычной материей взаимодействуют исключительно гравитационным образом ( сте-
рильные вообще гораздо массивнее, чем известные типы нейтрино). И опять же путем осцилляций
обычные состояния нейтрино могут переходить в стерильные (и наоборот). При этом может происхо-
дить испускание (или, соответственно, поглощение) бозонов Хиггса ( Higgs boson, H ).
Если бы масса стерильных нейтрино превышала массу "нормальных" в триллионы раз, то они все уже
в течение первой секунды после Большого взрыва должны были бы превратиться в своих более легких
"кузенов". А вот если соотношение масс находится в пределах 100 тысяч или около того (т.е. несколько
килоэлектронвольт, 1 кэВ - это одна миллионная массы водородного атома ), то стерильные все еще
могут существовать в нашей Вселенной и распадаться время от времени в более легкие типы нейтрино
с излучением фотонов рентгеновского диапазона.
В 1994 году Скотт Доделсон (Scott Dodelson) из Национальной лаборатории высокоэнергетических ис-
следований имени Энрико Ферми ( Fermilab, Fermi National Accelerator Laboratory - FNAL ) в Батавии
(штат Иллинойс, США) и Лоренс Видроу (Lawrence Widrow) из Королевского университета в Кингсто-
не ( Queen's University, Канада ) предположили, что такие относительно маломассивные стерильные
нейтрино могли бы составлять основу темного вещества - то есть неведомого нам пока типа материи,
что раз в шесть превосходит по своей полной массе массу всего "нормального" вещества Вселенной.
Каково общее число стерильных нейтрино во Вселенной, пока неясно. Если масса стерильных нейтри-
но составляет порядка нескольких килоэлектронвольт, то их присутствие уже могло бы объяснить пол-
ностью феномен темной материи. Тогда же исследователи, возглавляемые выпускником Московского
университета Александром Кусенко, работающим в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе,
проделали выкладки, согласно которым стерильные нейтрино, рожденные во взрывах сверхновых
звезд, могли бы "толкать" образующиеся в ходе этих взрывов нейтронные звезды, и в результате этих
"пинков" ("киков" - от слова "kick") остатки взрывов могли бы приобретать скорости до тысяч километ-
ров в секунду - явление, которое до этого казалось малообъяснимым. Дело в том, что на излучение
нейтрино тратится до 99% энергии взрыва и небольшая (даже однопроцентная ) анизотропия потоков
нейтрино, вызванная нейтринной осцилляцией и конфигурацией магнитных полей, может привести
к выдаче очень большого импульса.
Теперь же Петер Бирманн (Peter Biermann), что работает в германском Радиоастрономическом институ-
те имени Макса Планка (Max-Planck-Institut fur Radioastronomie - MPIFR, Бонн), и Кусенко пришли к вы-
воду, что стерильные нейтрино, возможно, помогли также появиться и самым первым поколениями
звезд (публикация Physical Review Letters 10 марта 2006 г. - PRL ( vol 96, no 091301)). Как известно, ре-
зультаты наблюдений зонда WMAP ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - Зонд для исследования
микроволновой анизотропии имени Дэвида Вилкайнсона ), опубликованные в 2003 году, заставили
предположить, что первые звезды начали ионизировать межзвездный газ спустя всего лишь 200 мил-
лионов лет после Большого взрыва. Это обстоятельство весьма озадачивало астрономов, поскольку
срок, прошедший со времен рождения этого мира и до появления первых звезд, был необычайно мал.
Новые результаты WMAP, обнародованные совсем недавно, несколько упростили ученым жизнь ( те-
перь граница ионизация относится уже к порогу в 400 миллионов лет), однако и такой срок на сотни
миллионов лет уступает ожидаемому из стандартных теорий звездообразования.
Кусенко считает, что именно участие ( в качестве своеобразного катализатора ) стерильных нейтрино
в формировании ( охлаждении) газовых облаков из молекулярного водорода могло бы ускорить про-
цессы первого звездообразования. Ведь образование водородных молекул требует связи двух атомов
водорода. И подобные реакции протекают гораздо активнее, если один из атомов заранее ионизиро-
ван (лишен электронной оболочки). И вот эта-то изначальная ионизация могла быть вызвана рентге-
новским излучением, продуцируемым распадающимися стерильными нейтрино в условиях ранней
Вселенной. Первые звезды во Вселенной тогда могли бы зажечься уже спустя 20-100 миллионов лет
после Большого взрыва, а ионизация газа, окружающего их, произошла тогда спустя 150-400 миллио-
нов лет после Большого взрыва.
Кроме того, именно деятельностью стерильных нейтрино можно объяснить отсутствие больших скоп-
лений антивещества в окружающем нас мире - так называемую барионную асимметрию Вселенной. В
условиях ранней Вселенной эти стерильные нейтрино, возможно, производили "захват" плазменного
"лептонного заряда" ("lepton number"), и таким образом был нарушен "закон сохранения" лептонного за-
ряда, ну а в более позднее время недостаток этого лептонного заряда был конвертирован в барионный
заряд, отличный от нуля - возникла асимметрия между барионами (вроде протонов) и антибарионами
( вроде антипротонов ).
Кусенко считает, что уже на нынешнем этапе развития экспериментальной техники есть шанс на обна-
ружение различных типов стерильных нейтрино, которые, однако, имеют меньшую массу, чем те, что
несут ответственность за неуловимую темную материю. Так, несколько лет назад результаты экспери-
мента в американской Национальной лаборатории Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory) в шта-
те Нью-Мексико позволили заговорить о возможности существования стерильных нейтрино с массой
порядка 1 электронвольта, а в настоящее время в Fermilab в разгаре многообещающий проект по ней-
тринным осцилляциям и поискам массы нейтрино MiniBooNE ( Booster Neutrino Experiment), очередные
результаты которого ожидаются в 2006 году.
ссылки:
grani.ru/Society/Science/p.104597.html
mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/pr-dm06_en.html
mpg.de/documentation/pressReleases/2006/pressRelease200603142
newscientistspace.com//astronomy/dn8880-sterile-neutrinos-may-solve-cosmic-conundrums
ru.arxiv.org/abs/astro-ph/0601004
справка:
Нейтрино -
электрически нейтральная частица со спином 1/2, то есть относится к фермионам. Принадлежит к
классу легких частиц - лептонов. Нейтрино и антинейтрино имеют по три различных типа или "аро-
мата", электронное, мюонное и тау-нейтрино. При взаимодействии с другими частицами нейтрино
превращаются в соответствующий заряженный лептон. В отрицательные лептоны превращаются ле-
вые нейтрино, то есть, имеющие спиральность l = -1/2. Правые нейтрино являются античастицами к
левым нейтрино.
Частица была "придумана" швейцарским физиком Вольфганом Паули в 1930 году для того, чтобы
спасти закон сохранения энергии, так как последние эксперименты по изучению бета-распада указы-
вали на его нарушение. Чтобы урегулировать перекос между теорией и практикой, Паули ввел гипо-
тетическую электрически нейтральную частицу. Частицу назвали нейтрон. Однако после открытия
в 1932 году другой массивной нейтральной частицы, которую мы сейчас знаем под этим именем,
Энрико Ферми предложил переименовать частицу в нейтрино - по-итальянски "нейтрончик".
Нейтрино столь плохо взаимодействуют с другим веществом, что могут беспрепятственно пролететь
сквозь стену, простирающуюся от Земли до Луны. Они рождаются, например, в ходе реакции ядерно-
го синтеза, за счет которого горит Солнце и другие звезды. Антинейтрино же производятся в ходе
расщепления атомных ядер на атомных электростанциях. В процессе расщепления атомного ядра на
два меньших появляются радиоактивные ядра, которые распадаются, испуская электрон и антиней-
трино.
