Гамма-лучи могут быть обнаружены только датчиками, находящимися под 1,8-метровым слоем бетона и изготовленными из очень плотных металлов. Космические гамма-лучи – это высокоэнергетические фотоны, порождённые одними из самых жестоких событий во Вселенной.
Фотоны света – это безмассовые частицы, которые по сути представляют собой пакеты энергии. Из-за квантово-механического явления, известного как корпускулярно-волновой дуализм, фотоны могут вести себя и как частицы и как фотоны. Фотоны имеют длину волны, и амплитуда их длины волны определяет, где они находятся в электромагнитном спектре. Радио- и микроволновые фотоны находятся на низкоэнергетическом и более длинноволновом конце спектра, в то время как в более коротковолновой и высокоэнергетической области находятся фотоны ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также наиболее энергичные из них с самой короткой длиной волны: фотоны гамма-излучения.
Гамма-лучи имеют длину волны короче 10-11 метров и частоты выше 30*1018 герц. Европейское космическое агентство отмечает, что фотоны гамма-излучения имеют энергию, превышающую 100 000 электронвольт (эВ). Мы можем сравнить это с рентгеновскими лучами, которые НАСА описывает как имеющие энергию от 100 до 100 000 эВ, и оптические фотоны, которые мы можем видеть своими глазами, около 1 эВ.
На Земле гамма-лучи образуются в результате радиоактивного распада элементов и вспышек молний, тогда как в космосе они возникают из-за сильных источников высокой энергии, таких как солнечные вспышки, квазары, чёрные дыры, разрывающие звёзды на части, аккреционные диски чёрных дыр, взрывающиеся звёзды и сильное гравитационное окружение нейтронных звёзд.
Как были открыты космические гамма-лучи?
На рубеже двадцатого века были известны две формы излучения, испускаемого распадающимися атомами, а именно альфа-частицы (представляющие собой ядра гелия) и бета-частицы (представляющие собой электроны и позитроны).
Однако, когда французский химик Поль Виллар начал экспериментировать с радиоактивным элементом радием, который был открыт двумя годами ранее Марией и Пьером Кюри, он заметил, что ионизирующее излучение, возникающее при распаде радия, обладает более сильным ударом, чем альфа- или бета-излучение частицы.
Это излучение получило своё название – гамма-лучи – просто потому, что гамма – это третья буква греческого алфавита после альфы и бета. В начале 1900-х годов Виллар и его соратники не знали, что ключевое различие между гамма-лучами и альфа/бета-частицами заключается в том, что гамма-лучи представляют собой форму света, тогда как альфа- и бета-частицы состоят из материи.
Как остановить гамма-лучи?
Для блокирования гамма-лучей требуется плотный материал, и толщина этого материала зависит от вещества. Чтобы уменьшить силу входящих гамма-лучей на миллиард частей, вам нужно 4,2 метра воды, почти 2 метра бетона или 0,39 метра свинца.
Это создаёт проблему для гамма-телескопов, таких как космический телескоп “Ферми” (НАСА). Обычные телескопы, такие как космический телескоп “Хаббл”, используют зеркала и линзы для сбора и фокусировки света, но гамма-лучи просто проходят через обычный телескоп. Вместо этого гамма-телескопы должны использовать другие инструменты.
По данным НАСА, на космическом телескопе “Ферми” фотон гамма-излучения будет проходить через устройство, называемое Детектором совпадений, которое блокирует космические лучи, которые могут дать ложный сигнал. Затем гамма-излучение поглощается одним из 16 листов вольфрама, материала, достаточно плотного, чтобы остановить гамма-излучение.
Взаимодействуя с вольфрамом, гамма-луч преобразуется в электрон и позитрон, пути которых считывает трекер, представляющий собой модуль из кремниевых полосок, переплетённых вольфрамовой фольгой, который может определить направление, откуда пришёл гамма-луч, на основе траектории электрона и позитрона.
Наконец, энергия электрона, а затем и позитрона измеряется калориметром – прибором, который измеряет энергию частицы путём её поглощения – сделанным из йодида цезия, что и позволяет определить энергию гамма-излучения.
Опасны ли космические гамма-лучи?
Из-за своей высокой энергии гамма-лучи являются ионизирующими, а это означает, что они могут выбивать электроны из атомов, в конечном итоге повреждая живые клетки и создавая опасность для здоровья. Однако, как и при любом излучении, это зависит от дозы, которую вы получаете.
В малых дозах, очень тщательно подобранных для ограничения воздействия, их можно безопасно использовать в качестве медицинского диагностического инструмента или даже для уничтожения раковых клеток (как это ни парадоксально, поскольку воздействие радиации, включая гамма-лучи, может вызывать рак). В частности, одним из инструментов, используемых врачами, является “гамма-нож”, представляющий собой сверхточный прибор с помощью которого пучок гамма-лучей отсекает больные клетки мозга и даже может проникать глубоко в мозг, не повреждая внешние доли.
К счастью, атмосфера Земли способна блокировать гамма-лучи. Однако для астрономов это печально, потому что это означает, что для проведения гамма-исследований обсерватории должны быть либо построены на вершинах гор, где атмосфера тоньше, либо отправлены в космос.
Первый космический гамма-телескоп был запущен в 1961 году, но по-настоящему всё началось только в конце 1960-х и начале 1970-х годов, когда было сделано важное открытие, и это произошло даже без использования астрономических телескопов.
За прошедшие годы было создано множество обсерваторий, как на Земле, так и в космосе, предназначенных для наблюдения за космическим гамма-излучением. В 1990 году НАСА запустило Комптоновскую гамма-обсерваторию в качестве гамма-аналога космического телескопа “Хаббла”. Гамма-обсерватория Комптона исследовала космос с 1991 по 2000 год. Инструмент BeppoSAX был совместной итальянско-голландской миссией, которая работала в период с 1996 по 2003 год, в то время как НАСА запустило HETE-2 (HETE-1 ранее потерпел неудачу), которые отследили множество гамма-всплесков в период с 2000 по 2008 год.
В настоящее время, по состоянию на конец 2022 года, несколько спутников, обсерваторий и телескопов продолжают вести гамма-наблюдения как на Земле, так и в космосе. Спутник Swift (НАСА), запущенный в 2004 году, сочетает в себе рентгеновские и гамма-наблюдения, как и итальянский спутник AGILE, запущенный в 2007 году. В 2002 году Европейское космическое агентство запустило INTEGRAL, а в 2008 году был запущен сложный космический гамма-телескоп “Ферми”.
Между тем, на Земле есть несколько обсерваторий гамма-излучения, в том числе VERITAS в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла в Аризоне и HESS в Намибии.
В 1963 году Советский Союз, Великобритания и США подписали договор о запрещении ядерных испытаний, который не позволял мировым сверхдержавам испытывать любые ядерные устройства в атмосфере или в космосе. Однако США подозревали, что Советский Союз не присоединится к договору, поэтому они запустили серию спутников Vela, чтобы следить за любыми импульсами гамма-излучения, которые могли исходить от секретных ядерных взрывов. Так случилось, что космические гамма-лучи были обнаружены, но из космоса: случайные взрывы мощной энергии гамма-излучения, которые, казалось, исходили со всех концов Земли. Но как далеко находились эти гамма-всплески?
Если бы эти гамма-всплески, сокращённо GRB, исходили из нашей галактики, то астрономы обнаружили бы их в основном в плоскости Млечного Пути. Вместо этого они были разбросаны по всему небу, это могло означать только одно. Либо они находились очень близко, в пределах нашей Солнечной системы, либо они были очень далеко, за пределами нашей галактики. В 1995 году даже были проведены специальные дебаты, в ходе которых обсуждались размеры нашей галактики на основе распределения шаровых скоплений.
В ходе дебатов 1995 года под председательством Мартина Риса астроном Богдан Пачински из Принстонского университета утверждал, что гамма-всплески пришли из очень далёких уголков Вселенной, в то время как Дональд Лэмб из Чикагского университета считал, что гамма-всплески должны были произойти где-то поблизости, потому что энергия, необходимая для них, составляла бы миллиарды эВ на расстоянии нескольких световых лет, что противоречило бы законам физики.
Всего два года спустя астрономы получили ответ, когда спутник BeppoSAX обнаружил гамма-всплеск, за которым смог быстро проследить телескоп Уильяма Гершеля на Канарских островах, в процессе обнаружения слабого послесвечения какого-то взрыва, породившего гамма-всплеск. Измерение красного смещения света послесвечения показало, что оно пришло с расстояния в шесть миллиардов световых лет. Богдан Пачинский был прав!
Существует два основных типа GRB. Один тип называется короткими гамма-всплесками, которые длятся всего доли секунды, в то время как другой тип известен как длинные гамма-всплески и может длиться от нескольких секунд до часа. Короткие гамма-всплески испускаются при слиянии двух нейтронных звёзд, а длинные гамма-всплески – это предсмертные крики редких массивных звёзд.
Физики Эндрю Макфадьен и Стэн Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Круз разработали модель, объясняющую, как звёзды могут взрываться и производить длинные гамма-всплески, не нарушая законов физики. Когда массивная звезда, масса которой в 50–100 раз превышает массу Солнца, достигает конца своей жизни, она начинает коллапсировать и, если звезда вращается достаточно быстро, энергия в коллапсирующих слоях отражается от ядра и выбрасывается двумя джетами, движущимися почти со скоростью света. Заряжённые частицы внутри этих струй вращаются вокруг мощных магнитных полей и производят нечто, называемое синхротронным излучением, в виде наблюдаемых нами гамма-лучей. Поскольку гамма-лучи испускаются только в направлении джетов, а не во всех направлениях сразу, общая выделяемая энергия не противоречит законам физики.
