разбор

Слышали, в космосе произошел самый мощный взрыв в истории? Сейчас расскажем, что именно взорвалось — и почему хотя бы этого бояться не нужно А еще о том, как астрофизикам помог тот самый дедуктивный метод

Источник: Meduza

В апреле 2021 года излучение «самого мощного, большого, жуткого взрыва во Вселенной» достигло Земли. По крайней мере, так писали об этой новости множество СМИ (1, 2, 3, 4). Против истины подобные заголовки согрешили не слишком: событие, обозначенное астрономами как AT2021lwx, действительно было в некоторых аспектах исключительным (хотя и не по обещанной «мощности»). Однако громкие заголовки, даже формально корректные, без контекста скорее вводят в заблуждение, чем что-то объясняют, — космос вдруг начинает казаться пугающей бездной, из которой исходит опасность. «Медуза» рассказывает, что на самом деле случилось в апреле 2021 года, как ученым удалось обнаружить взрыв и почему он и подобные ему космические взрывы не угрожают Земле.

Как ученые узнали о взрыве?

Как ни странно, вспышка, о которой идет речь, была открыта совсем не знаменитыми «Хабблом» или «Уэббом». Эти самые большие и современные телескопы, про которые наверняка слышал каждый, мало подходят для обнаружения любых неожиданных событий на небе, будь то взрывы или новые астероиды. Космические телескопы «Хаббл», «Уэбб» или наземные гиганты вроде телескопов Кека построены для продолжительного наблюдения за очень небольшим его участком. Астрофизики, конечно, никогда не знают, где именно «бахнет» в следующий раз, поэтому не могут заранее навести телескоп на нужный участок неба и подождать.

Для поиска внезапно появляющихся и быстро исчезающих вспышек были сконструированы специальные (часто автоматические) телескопы, которые за несколько ночей получают снимки всего неба и могут самостоятельно обнаружить новый объект, сравнивая снимки одного и того же его участка, полученные в разное время. Такие телескопы называют установками по поиску транзиентов, то есть любых временных вспышек на небе. Эти вспышки могут быть результатом как масштабных событий вроде взрыва сверхновых звезд, гамма-всплесков или поглощения звезд черной дырой, так и просто пролета комет и астероидов вблизи Земли.

13 апреля 2021 года именно один из таких специализированных телескопов — Установка для поиска транзиентов им. Цвикки (ZTF) — обнаружил и пометил небольшое светлое пятнышко на небе как возможную вспышку сверхновой. Хотя вспышки сверхновых — это чрезвычайно мощные события (в них рождаются новые черные дыры), во Вселенной они происходят довольно регулярно — в одном только 2022 году их было обнаружено более 19 тысяч. Другими словами, светлое пятнышко, получившее обозначение AT2021lwx, поначалу никак не казалось чем-то исключительным.

Дальше в силу вступил стандартный протокол: во-первых, новую вспышку исследуют более мощным телескопом, по возможности снимая ее спектр, а во-вторых, ищут ее следы на более ранних снимках. Поиск по архиву позволяет не только установить, когда началась вспышка, но и изучить динамику яркости объекта во времени — астрофизики называют такое изменение яркости кривой блеска. Она помогает классифицировать объект, ведь среди сверхновых есть аж девять разных подклассов. Наблюдение в большие телескопы, в свою очередь, помогает увидеть более мелкие детали взрыва и изучить его окрестности, а спектр — установить расстояние до вспышки и ее химический состав. Когда два эти стандартных шага были проделаны, стало ясно, что речь, кажется, идет о событии из ряда вон выходящем.

Во-первых, международной команде астрономов во главе с доктором Филиппом Вайсманом из Университета Саутгемптона удалось обнаружить вспышку на архивных снимках телескопа Pan-STARRS и в системе раннего предупреждения об астероидной опасности ATLAS (да, у землян есть и такая). По этим данным выходило, что взрыв длится уже больше года, хотя обычные сверхновые гаснут через месяц-другой.

Во-вторых, полученный спектр указывал на огромное расстояние до вспышки — более восьми миллиардов световых лет. Таких далеких сверхновых известно всего с десяток, но все они были с огромными усилиями обнаружены на мощнейших телескопах — скромный метровый телескоп ZTF просто не смог бы увидеть никакую сверхновую на таком расстоянии! Все это означало, что до нас долетело излучение невероятного по мощности взрыва, который произошел, когда Вселенная была в два раза моложе, чем сейчас.

Исследования вспышки продолжаются до сих пор — спустя два с половиной года после обнаружения она все еще видна астрономам (хотя никогда не была различима с Земли невооруженным глазом). За это время ее наблюдали во всех областях электромагнитного спектра:

Что могло вызвать вспышку такого масштаба?

Собрав весь доступный массив данных, ученые провели образцовую в своем роде работу, продемонстрировав, как должна работать наука. Ее результаты опубликованы в престижном ежемесячнике Королевского астрономического общества Великобритании, издающемся с 1827 года. Работа получила почти конан-дойлевскую структуру: вместо того чтобы выдвигать экзотические гипотезы о причинах и механизмах, авторы последовательно и тщательно сравнили ее со всеми хоть сколько-то похожими событиями. А затем просто методично исключали все, что противоречило собранным уликам.

Во-первых, из-за явных отличий кривых блеска астрономы сразу же отбросили вариант гамма- или радиовсплеска. И в том и в другом случае внезапная активность затухает гораздо быстрее, чем в случае AT2021lwx. Гамма-всплески бывают разными, но в любом случае они:

То же самое и с быстрыми радиовсплесками (мощными выбросами энергии в радиодиапазоне, природа которых до конца не ясна): они еще короче, длятся всего несколько миллисекунд и не сопровождаются видимым свечением.

Во-вторых, как уже было сказано, по данным спектра сразу было понятно, что свет от взрыва летел к Земле больше восьми миллиардов лет. Значит, можно быть уверенными, что наш объект точно не из Солнечной системы и даже не из нашей Галактики — это не комета, не астероид, не вспышка на маломассивной звезде и не взрыв на экзотическом варианте нейтронной звезды, магнитаре.

Причиной вспышки также не может быть взрыв сверхновой: даже самая массивная звезда из теоретически возможных (а предельная масса звезды может быть рассчитана по простой формуле) не даст столько энергии, сколько было выделено при взрыве. И конечно, не сможет сверкать несколько лет.

Авторы допустили даже экзотическую версию того же объяснения с участием сверхновой, согласно которой предполагаемый взрыв звезды был не так уж велик, а просто многократно усилен гравитационной линзой, вставшей на пути ее света к Земле. Такое усиление могло бы понизить требования к массе взорвавшейся звезды и подтянуть ожидаемую мощность до той, что реально наблюдали телескопы. Но и от этого, довольно натянутого объяснения пришлось отказаться: между Землей и местом взрыва просто не нашлось никакого достаточно массивного объекта (вроде скопления галактик), способного усилить проходящий свет.

Вспышка не могла быть вызвана и активностью квазара. Квазары — это сверхмассивные черные дыры, расположенные в центре молодых и активных галактик, на которые постоянно падает вещество: газ, ближайшие звезды, космическая пыль и так далее. Черная дыра, находясь в центре галактики, может засасывать все что угодно, если это все окажется достаточно близко. В ходе падения на черную дыру вещество разогревается до невероятных температур, и часть этого излучения мощным прожекторным лучом направляется в противоположные от диска галактики стороны.

Однако ключевое слово в этом объяснении — «постоянно». Квазар не может включиться так резко, как это произошло с AT2021lwx, — это огромная машина, которая «заводится» неуклонно, но медленно. Кроме того, многочисленные попытки обнаружить галактику, в которой такой квазар мог бы обитать, оказались безуспешными. Возможно, конечно, дело в недостаточной чувствительности инструментов: расчеты показывают, что на таком расстоянии телескопы, которые были в распоряжении группы Филиппа Вайсмана, не смогли бы увидеть галактику размерами с Млечный Путь и меньше. Но в такой небольшой галактике и не может «завестись» квазар подходящей мощности. Снова противоречие — значит, и версию с квазаром придется вычеркнуть.

Далее — еще более экзотические теории. Некоторые особенности кривой блеска и спектра AT2021lwx похожи на вспышку приливного разрушения — разрывание звезды приливными силами сверхмассивной черной дыры. Такие события регистрировались раньше, но AT2021lwx превосходит их по мощности как минимум в три раза. Тем не менее, прежде чем отбрасывать эту версию, астрономы построили симуляцию подобного приливного разрушения и «покрутили параметры».

Оказалось, что можно действительно бросить звезду на черную дыру и получить вспышку требуемой мощности, — но для нужного результата требуется совпадение огромного числа параметров. Это должна быть очень массивная звезда: в 15 раз тяжелее Солнца, а таких во Вселенной чрезвычайно мало. Она должна сформироваться очень близко от черной дыры, потому что такие звезды живут всего 10–15 миллионов лет и не успевают далеко улететь. Кроме того, сама черная дыра должна при этом быстро вращаться — и хотя черные дыры действительно вращаются, эта конкретная должна была вращаться с почти максимально возможной для себя скоростью. Совпадение всех этих факторов одновременно настолько маловероятно, что вариант с приливным разрушением массивной звезды авторами тоже был исключен.

На каком объяснении в итоге остановились астрономы?

Вывод, который делают астрофизики, следует принципам того же Шерлока Холмса: «Отбросьте все невозможное — и то, что останется, будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». По мнению команды Вайсмана, разгадка вспышки AT2021lwx заключается в комбинировании отдельных элементов уже отвергнутых версий. Вкратце рецепт «самого большого взрыва во Вселенной» звучит так: возьмите квазар, самый мощный из известных источников излучения, уберите из него непрерывное (на протяжении миллионов лет) падение пыли и газа на черную дыру и забудьте про то, что квазар обязан находиться в центре массивной галактики. Из сценария с приливным разрушением звезды черной дырой возьмите только черную дыру — но падать на нее будет не звезда, а что-то другое.

Получившийся сценарий будет выглядеть так: в какой-то небольшой по размеру галактике летает сверхмассивная черная дыра массой примерно 100 миллионов масс Солнца, которая своей гравитацией притягивает большое облако газа, состоящее в основном из водорода (но содержащее еще немного тяжелых элементов вроде железа, кальция, кислорода). Такие гигантские резервуары газа действительно встречаются во Вселенной и называются молекулярными облаками; из одного такого облака когда-то была сделана и наша Солнечная система.

Мы, конечно, знаем, что из черной дыры ничего не может вылететь, никаких исключений здесь не предусмотрено. Но если посмотреть на то, как именно происходит поглощение вещества черной дырой, то процесс оказывается гораздо более сложным, чем тихое исчезновение за горизонтом событий. Молекулярное облако, постепенно приближаясь к дыре, под действием гравитации начинает ускоряться, сжиматься и разогреваться до таких температур, что в нем не остается уже ни отдельных молекул, ни атомов, ни даже протонов и нейтронов. Масса, согласно уравнению Эйнштейна E = mc², переходит в чистую энергию, часть которой успевает улететь из окрестностей дыры еще до того, как пересечет горизонт событий. Именно эта энергия, изливающаяся мощным потоком из района вокруг дыры, и долетает сейчас до Земли.

Важно, что, в отличие от случая падающей звезды, на массу этого холодного молекулярного облака нет никаких жестких ограничений — по расчетам астрофизиков, оно вполне может быть в тысячи раз массивнее Солнца. Этим объясняется и невероятная энергия вспышки (в пике она светила в 50 раз ярче всей нашей Галактики), и ее продолжительность: облако такой массы занимает пространство в сотни раз больше нашей Солнечной системы. Такому облаку, конечно, нужно довольно много времени, чтобы целиком исчезнуть за горизонтом событий.

Если вывод ученых верен, то это первое зарегистрированное падение газового облака на черную дыру. Хотя, вообще говоря, их должно быть довольно много — особенно если речь идет о ранней Вселенной, где в галактиках было гораздо меньше звезд и гораздо больше холодного газа.

Авторы открытия уверены, что в архивных данных телескопов должны обязательно найтись еще несколько подобных событий — событий, которые могли сыграть важнейшую роль в процессе формирования центральных областей молодых галактик. Увенчается ли успехом такой архивный поиск или нет, можно будет сказать лишь через несколько месяцев. Как бы то ни было, мощный прогресс в этом направлении ожидается уже в 2024 году. Тогда должен начать работу новый обзорный телескоп им. Веры Рубин — он будет заниматься поиском транзиентов, но собирать при этом в 10 раз больше информации, чем использованная сейчас Установка им. Цвикки.

Вспышка действительно стала «самым большим взрывом в истории»?

Вспышка AT2021lwx действительно уникальна по многим параметрам, но она не была «самым большим взрывом во Вселенной», как написали многие СМИ. И уж тем более таких событий не стоит бояться.

Да, AT2021lwx на сегодня действительно самая яркая оптическая вспышка. Однако по мощности, то есть по количеству выделенной энергии в секунду, она слабее, например, гамма-всплеска GRB 221009A, который долетел до Земли в октябре 2022 года. Или магнитара SGR 1806-20, свет от которого долетел до нас в 2004 году и который на ⅒ секунды стал в тысячу раз ярче всего Млечного Пути. Если вы еще помните 2004 год, но ничего подобного не замечали, не удивляйтесь — большая часть энергии выделилась тогда в виде гамма- и рентгеновских лучей, которые человек увидеть не может.

Кроме того, помимо быстро исчезающих вспышек, есть объекты, которые рутинно и ежесекундно выделяют в тысячи раз больше энергии, чем AT2021lwx, — это уже упоминавшиеся здесь квазары. Сейчас астрономы знают о миллионе квазаров, многие из которых излучают в сотни раз больше энергии в секунду, чем вспышка, о которой мы рассказываем. И делают это на протяжении миллионов лет. Ясно, что никто не выпускает каждый день новостные заметки о том, что Земля еще 24 часа подвергалась подряд излучению миллионов квазаров.

Может ли (хотя бы теоретически) внезапный космический взрыв уничтожить Землю?

Нужно помнить, что все эти взрывы грандиозны только в абсолютных величинах излучаемой ими энергии — из-за гигантских расстояний до нас долетают лишь считаные фотоны. Они и вовсе не были бы заметны, если бы астрономы в последние десятилетия не научились их «ловить».

Например, максимум «разрушений», которые нанес тот самый ярчайший магнитар SGR 1806-20 из Млечного Пути, сводится к тому, что он ослепил своим гамма-излучением приборы наблюдавших за ним спутников. И то лишь потому, что сами эти приборы были созданы крайне чувствительными, разработанными для того, чтобы регистрировать отдельные кванты энергии. Даже если бы этот магнитар находился в 10 раз ближе к нам, его взрыв (напомним — в тысячу раз ярче Млечного Пути) вывел бы из строя большинство спутников, но все равно не составил бы никакой угрозы для человечества и жизни на Земле.

Даже самые мощные квазары во Вселенной никак не влияют на землян. Более того, в 2019 году гарвардские астрофизики Манасви Лингам, Айдан Гинзбург и Шмуэль Бьяли опубликовали статью с расчетами влияния квазара на формирование жизни. Их выводы можно свести к следующему — квазары могут оказать заметное влияние на фотосинтез и формирование жизни только в небольшой области радиусом 100–150 световых лет. И как ни странно, иногда это влияние может быть даже позитивным.

Такие расстояния (100–150 световых лет) совершенно незначительны по сравнению с размерами нашей Галактики: Млечный Путь больше примерно в тысячу раз. Другими словами, даже если сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики неожиданно проснется и станет активной (к чему нет никаких предпосылок), мы на Земле этого даже не заметим — если только сами не захотим изучить этот вопрос с помощью телескопов.

Единственные транзиенты, которые теоретически могут привести к катаклизмам на Земле, — это вспышки сверхновых. То есть взрывное разрушение массивных звезд в конце жизни, за которое изначально приняли вспышку AT2021lwx. Действительно, раз каждый год их наблюдается несколько тысяч и каждая вспышка порождает ударную волну, разносящуюся на десятки световых лет, — почему бы одной такой умирающей звезде в последний момент не прихватить с собой и нашу планету за компанию?

Но здесь на помощь опять приходят расстояния и статистика: за все время наблюдений человечества нам надежно известно всего о семи сверхновых в нашей Галактике. Здесь надо сказать спасибо индийским и китайским астрономам, которые делали регулярные и непрерывные наблюдения задолго до европейцев. Последней из «домашних» сверхновых пока остается (и это очень огорчает современных астрофизиков) знаменитая сверхновая Кеплера в 1604 году. Все остальные, что были зарегистрированы уже в наши дни, произошли за пределами Млечного Пути.

Лишь очень небольшая доля из 100 миллиардов звезд Млечного Пути может стать сверхновой. А их шансы оказаться вблизи от нас совсем микроскопические. И даже если сверхновая вспыхнет в нескольких сотнях световых лет от нас (по галактическим меркам буквально у нас под носом), это вызовет некоторое повреждение озонового слоя, мощные приливы, выход из строя интернета и даже временное отключение электричества — но никак не конец цивилизации и новое массовое вымирание видов. В последние годы человечество достаточно хорошо изучило солнечные окрестности — поблизости нет ни одной звезды, грозящей нам опасностью.

То есть можно спать спокойно?

Самый мощный (и единственный) источник космических взрывов, который непосредственно и постоянно влияет на нашу жизнь, — это Солнце, на котором каждую секунду происходят взрывы нескольких миллиардов термоядерных бомб. К счастью, тут тем более беспокоиться не о чем: в ближайшие четыре миллиарда лет Солнце будет светить надежно и стабильно. Человечеству продолжают угрожать не загадочные небесные вспышки, а, к сожалению, оно само.