Пред.
|
Просмотр работы: |
След.
|
29 мая ’2017
16:39
Просмотров:
14725
доктор техн. наук А.Н.Черний
Академия электротехнических наук Российской Федерации, г. Москва
Аннотация Настоящая статья посвящена самому загадочному явлению астрофизики – космическим гамма-всплескам – титаническим взрывам, выделяющим в короткий промежуток времени (от долей секунды до нескольких секунд) только в гамма-диапазоне чудовищную энергию, равную ~ 1052 эрг. Описана история открытия гамма-всплесков, приведены некоторые гипотезы рождения гамма-всплесков, которые, однако, не в полной мере согласуются с наблюдениями. Автором доказано, что короткие гамма-всплески вызваны взрывами нейтронных звезд при увеличении их массы свыше предела Оппенгеймера-Волкова в результате воздействия обратного гравитационного эффекта.
Ключевые слова: гамма-всплески, нейтронные звезды, обратный гравитационный эффект.
. Ключом ко всякой науке бесспорно является . . вопросительный знак; вопросу: Как − мы обязаны . большею частью великих открытий. Бальзак
Первый космический гамма-всплеск был зарегистрирован случайно 2 июля 1967 г. американскими военными спутниками серии «Vela» − охотниками за ядерными испытаниями русских. Гамма-детекторы, этих спутников, были далеки от совершенства; они не могли даже приблизительно определить источник и координаты гамма-всплеска. Спутники «Vela» только фиксировали наличие гамма-всплесков (до несколько всплесков в год). Долгое время о гамма-всплесках не сообщали в открытой печати. Секретность была снята только после того, когда американские генералы поняли, что гамма-всплески вызваны не ядерными испытаниями русских. Первая работа, поведавшая миру о гамма-всплесках, вышла в 1973 году из под пера американского ученого Рэя Клебесадела, разработчика гамма-детекторов, установленных на спутниках «Vela» [1, c.18].
В конце 70-х гг. прошлого века в советском эксперименте «Конус» были использованы более чувствительные гамма-детекторы, установленные на автоматических межпланетных станциях «Венера-11» и «Венера-12» [2, c.207]. Новые детекторы позволили регистрировать гамма-всплески каждые 2 – 3 суток, приходящие изотропно из космического пространства. В период с 1991 по 2000 гг. на околоземной орбите работала гамма-обсерватория Комптон, оснащенная американским детектором «БАТСЕ» (BATCE), аналогичному по конструкции аппаратуре «Конус». Чувствительность «БАТСЕ» составляла 310−8 эрг/см2 , что приблизительно в 3 раза выше чувствительности детекторов «Конус» [ 1, c.196]. «БАТСЕ» регистрировал космические гамма-всплески в среднем раз в день. Общее число гамма-всплесков за время работы «БАТСЕ» составило более 3000 (рис.1). На этом изображении видно, что на небесной сфере гамма-всплески распределены
- 2 -
изотропно. На основании наблюдений «БАТСЕ» астрофизики впервые сделали вывод о том, что гамма-всплески происходят в далеких галактиках, отстоящих от Земли на миллиарды световых лет. Дальнейшие наблюдения, с использованием более совершенных гамма-детекторов, подтвердили эту точку зрения. Из космологической природы гамма- всплесков следует, что они должны иметь чудовищную энергию. Так, например, излучение гамма-всплеска GRB 970228 только в гамма-диапазоне составляет 1,6•1052 эрг, что на порядок больше энергии типичной сверхновой. Для некоторых гамма-всплесков оценка доходит до 1054 эрг, то есть сравнима с энергией покоя Солнца. Причём эта энергия выделяется за очень короткое время! Эти цифры говорят о том, что современная наука столкнулась с необычным и удивительным природным явлением, приблизиться к пониманию тайны которого и является целью нашей работы.
Рис. 1 Распределение на небесной сфере (в галактических координатах) космических гамма-всплесков, зарегистрированных «БАТСЕ» за время работы. Авторы: G. Fishman et al., BATSE, CGRO, NASA
- 3 -
Космические гамма-всплески по своей длительности и энергетическому спектру четко разделяются на два больших класса – всплески с длительностью менее 2 секунд, имеющие жесткий спектр (короткие гамма-всплески) и всплески с большей длительностью, более мягкие (длинные гамма-всплески) [3, с.406]. В работе [ 4 ] показано, что доля коротких гамма-всплесков от общего количества всех гамма-всплесков может составлять от 30 до 45%. Обнаружено, что число коротких жестких гамма-всплесков растет с увеличением нижнего энергетического порога срабатываний детекторов.
Рис. 2 Кривые блеска длинных (а, б, в) и короткого ( г ) гамма-всплесков
На рис.2 в качестве примера показаны кривые блеска длинных (а, б, в) и короткого ( г ) гамма-всплесков [3, с.407]. Здесь по оси ординат отложена интенсивность всплеска, определяемая по скорости счета фотонов, а по оси абсцисс - время, отсчитываемое от начала всплеска.
- 4 -
Многолетние наблюдения за космическими гамма-всплесками позволило ученым достоверно установить связь между длинными гамма-всплесками и взрывами сверхновых. Наиболее яркими из них являются события GRB 980425, GRB 030329 [1, c.200].
Предполагают, что гамма-лучи при взрыве сверхновой рождаются от ударных волн, когда ядро массивной звезды схлопывается в черную дыру. Центральный взрыв «посылает волну со скоростью, близкой к скорости света, которая проходит сквозь газ, оставшийся вокруг звезды, и генерирует гамма-лучи, чуть-чуть обгоняющие ударный фронт. В ударной волне возникает электромагнитное излучение и других видов, отчего рождается остаточное свечение, которое может держаться днями и неделями» [5, c.174].
По словам Джоанни Бейкер «длинные гамма-всплески – вестники предсмертной агонии массивных звезд» [5, c.174].
Относительно механизма рождения коротких гамма-всплесков у астрофизиков полной ясности нет. Многие считают, что они рождаются при слиянии нейтронных звезд в двойной системе. 3 июня 2013 года эта гипотеза была подтверждена космическим аппаратом НАСА Swift, который зафиксировал короткий гамма-всплеск GRB 130603B, вызванный столкновением двух нейтронных звезд. Вспышка гамма-излучения длилась всего одну десятую долю секунды. А 12 июня на месте этого события орбитальная обсерватория Хаббл обнаружила в инфракрасном диапазоне угасающий огненный шар, свечение от которого наблюдалось несколько дней. Космический взрыв от столкновения двух нейтронных звезд в инфракрасном диапазоне ученые назвали «килоновой вспышкой».
По словам Ниала Танвира (Nial Tanvir) из Университета Лестера в Великобритании «Это наблюдение окончательно решило тайну происхождения коротких всплесков гамма-излучения». Так ли это?
Наше сомнение основано на том, что гамма всплеск GRB 130603B, сопровождающийся килоновой вспышкой, является единичным в базе наблюдений за короткими гамма-всплесками. Все остальные зарегистрированные короткие гамма-всплески килоновой вспышки не имеют. Кроме того, столкновением нейтронных звезд невозможно объяснить энергетику короткого гамма-всплеска GRB 070714B, зарегистрированного 14 июля 2007 года космическим аппаратом НАСА Swift. Энергия, выделившаяся при GRB 070714B, в сто раз больше средней энергии коротких всплесков!
- 5 -
Столкновение нейтронных звезд в галактике происходит чрезвычайно редко, один раз за миллион лет, поэтому есть все основания считать, что в природе существует другой механизм рождения коротких гамма-всплесков.
Известный российский астрофизик Г.С. Бисноватый-Коган в своей книге «Релятивистская астрофизика и физическая космология», изданной в 2016 г., относительно космических гамма-всплесков в частности пишет: «Эти источники, несмотря на 35 лет интенсивных наблюдений с различных спутников, до сих пор представляются загадочными. Удалось выяснить, что многие из них расположены на огромных космологических расстояниях, соответствующих красным смещениям вплоть до z ~ 6, что определяет их гигантское энерговыделение за короткое время 1 – 100 секунд. Причины такого энерговыделения до сих пор не ясны, хотя имеется много различных гипотез» [1, с.18].
При анализе астрономических наблюдений ученые используют специальную и общую теории относительности Эйнштейна. Затянувшийся на десятилетия поиск причин космических гамма-всплесков, по нашему мнению, говорит о том, что в теориях Эйнштейна не все благополучно. О том, что в этих теориях есть отдельные неточности написано в книге [ 6 ]. К сожалению, нашу точку зрения научный мир воспринимает скептически. Но скептицизм никогда не был ключом к истине!
Далее мы изложим нашу точку зрения на проблему коротких гамма-всплесков
Рассмотрим кратко основные физические характеристики коротких гамма-всплесков.
1. Длительность Δt коротких гамма-всплесков составляет от 0,01 до 2х секунд.
2. Короткие гамма-всплески имеют космологическую природу, их регистрируют в галактиках, находящихся на окраинах космического пространства, удаляющихся от Земли с релятивистскими скоростями под действием ускоренного расширения Вселенной.
3. Причиной гамма-излучения должен быть взрыв сверхплотного компактного массивного космического тела; минимальные размеры излучаемой области не должны превышать величины с Δt ≈ 3000 км [ 2, c.207].
- 6 -
По нашему убеждению короткие гамма-всплески вызваны взрывами нейтронных звезд при увеличении их массы свыше предела Оппенгеймера-Волкова в результате воздействия обратного гравитационного эффекта в экстремальных физических условиях ускоренного расширения Вселенной.
Нейтронная звезда образуется при взрыве сверхновой в результате релятивистского гравитационного коллапса. Она содержит жидкое ядро из вырожденных нейтронов с малой примесью вырожденных протонов и электронов, внутреннюю кору, образованную атомными ядрами, переобогащенными нейтронами, и сравнительно тонкую (∼1 км) внешнюю кору из образующих кристаллическую решетку атомных ядер железа и вырожденных электронов [2 c.435]. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус составляет около 10 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8•1017 кг/м³). Кубик со стороной в 1 см из вещества нейтронной звезды, весил бы на Земле несколько миллиардов тонн! Минимальная масса нейтронной звезды mmin ≈ 0,1 m, а максимальная − mmax ≈ 2 m, где m - масса Солнца, [7, c.244].
Предел Оппенгеймера – Волкова является верхним пределом нейтронной звезды, при котором давление вырожденного нейтронного газа может компенсировать силы гравитации, не давая звезде коллапсировать в черную дыру. Назван по именам американских физиков Р. Оппенгеймера и Дж. М. Волкова. Точное значение этого предела пока неизвестно из-за высокой неопределённости свойств макроскопических состояний вырожденной барионной материи с крайне высокой плотностью: в недрах нейтронных звёзд плотность материи превышает ядерную плотность (~ 1014 г/см³, что в ~108 раз превышает плотность белых карликов) и уравнение состояния такой материи в точности неизвестно. Современные оценки предела Оппенгеймера − Волкова лежат в пределах 2,5−3 солнечных масс. Превышение этого предела неминуемо ведет к схлопанию нейтронной звезды в черную дыру, так как давление вырожденных нейтронов, не в состоянии противостоять силам гравитационного сжатия.
Теория обратного гравитационного эффекта была изложена нами в работе [6, c.126,262]. Его физическая сущность выражается в усилении гравитационного сжатия тела при его ускорении за счет увеличения его собственной массы.
- 7 -
Собственная (внутренняя) масса тела является одной из важнейших его характеристик в системе отсчета, где это тело покоится. Поэтому собственную массу принято называть массой покоя.
Собственная масса полностью определяется структурой тела и происходящими в нем процессами. Как показывает формула Эйнштейна ( 1 ), собственная масса тела является мерой содержащейся в нем энергии.
E = m с2 = m0c2 / (1 – 2/c2)1/2 , ( 1 )
где m0 – масса покоя, m – релятивистская масса тела после его ускорения до скорости , с – скорость света в вакууме.
При увеличении внутренней энергии тела его собственная масса возрастает. Известно, что сжатая пружина массивнее свободной. Поэтому при сжатии и нагреве тела в процессе его ускорения под действием обратного гравитационного эффекта [6,с.262] должна возрастать его внутренняя энергия (масса) в его собственной системе отсчета, т. е. его энергия (масса) покоя.
В работе [1, c.34] прямо говорится о том, что в экстремальных физических условиях «кинетическая энергия электронов переходит в массу покоя». Далее в той же работе при описании уравнения равновесия нейтронной звезды, полученного Оппенгеймером и Волковым в 1939 году, отмечается, что плотность и масса вещества нейтронной звезды «включают в себя все виды энергии, в том числе кинетическую» [1 , c.35]. Здесь также приводится уравнение сохранения массы нейтронной звезды:
dm / dr = 4 π ρr2, ( 2 )
где m – масса нейтронной звезды, ρ – плотность ее ядра, r – релятивистский радиус звезды.
Внешне уравнение ( 2 ) совпадает с ньютоновским, «но физический смысл ρ и m отличается от ньютоновского, где обе эти величины связаны только массой покоя» [1, c.35].
На основании вышеизложенного можно утверждать, о том что собственной масса нейтронных звезд далеких галактик, ускоренно улетающих от нас с релятивистскими скоростями, будет увеличиваться.
- 8 -
А далее все очевидно. Как только масса нейтронной звезды превысит предел Оппенгеймера – Волкова, за доли секунды должен произойти релятивистский коллапс массивного ядра нейтронной звезды в черную дыру, сопровождающийся мощным взрывом коры нейтронной звезды, состоящей из сверхтяжелых ядер, с выделением огромной энергии в гамма-диапазоне электромагнитного излучения.
Вернемся к загадочному гамма-всплеску GRB 070714B, о котором мы уже упоминали в настоящей статье. Взрыв GRB 070714B произошел на расстоянии 7,4 миллиарда световых лет от Земли при красное смещение z = 0,92. А это значит, что взорвавшийся объект двигался со скоростью = 0,92с. Предположим, что таким объектом была нейтронная звезда. Допустим что она образовалась при << с с массой m ≈ 1 m. При скорости = 0,92с, полученной в результате релятивистского ускорения нейтронной звезды, ее собственная масса согласно ( 1 ) должна возрасти до значения ~ 2,6 m, то есть достигнуть предела Оппенгеймера – Волкова. В результате последующего релятивистского гравитационного коллапса большая часть материи ~ 1,6 m умирающей нейтронной звезды взрывной волной будет выброшена в космическое пространство, в том числе и в виде мощного гамма-излучения. Оставшееся вещество, находящееся в центральной части ядра, массой ~ 1 m, уйдет под горизонт событий и образует черную дыру.
2 июля 2017 года исполнится 50 лет с момента обнаружения первого космического гамма-всплеска. Надеюсь, что на юбилейной конференции, посвященной природе космических гамма-всплесков, будет рассмотрено и наше оригинальное решение этой чрезвычайно важной астрофизической проблемы.
- 9 -
ЛИТЕРАТУРА
1.Бисноватый-Коган Г.С. Релятивистская астрофизика и физическая космология.- М.: КРАСАНД, 2016.- 376 с.
2. Физика космоса.- М.: Советская энциклопедия, 1986.- 784 с.
3. Физическая энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1988.- Т.1, 704 с.
4. Минаев П.Ю., Позаненко А.С., Лозников В.М. Короткие гамма-всплески в эксперименте SPI-ACS INTEGRAL // Астрофизический бюллетень, 2010, том 65, №4, с. 343–353
5. Бейкер Джоанн. Вселенная. 50 идей, о которых нужно знать.- М.: Фантом Пресс, 2016.- 208 с.
6. Черний А.Н. Релятивистская физика космоса.- М.: Научный мир, 2010.- 480 с.
7. Сурдин В.Г. Вселенная от А до Я.- М.: Эксмо, 2013.- 480 с.
Свидетельство о публикации №275046 от 29 мая 2017 года
Голосование:
Суммарный балл: 20
Проголосовало пользователей: 2
Балл суточного голосования: 0
Проголосовало пользователей: 0
Голосовать могут только зарегистрированные пользователи
Вас также могут заинтересовать работы:
Отзывы:
Оставлять отзывы могут только зарегистрированные пользователи