Фото NASA
В ходе эксперимента POLAR физики зарегистрировали упорядоченную поляризацию в излучении гамма-всплесков, испускаемых, как считается, в момент образования черных дыр
Китайская космическая лаборатория Тяньгун-2 была выведена на орбиту 15 сентября 2016 года. Среди ее научного оборудования — детектор высокоэнергичного гамма-излучения POLAR. На прошлой неделе группа физиков, участвующих в проекте, сообщила в Nature, что им впервые удалось обнаружить упорядоченную поляризацию в гамма-излучении, испущенном в момент гравитационного коллапса далекой звезды с образованием черной дыры.
Детектор POLAR регистрирует гамма-всплески — электромагнитное эхо самых масштабных и очень далеких взрывов во Вселенной. Гамма-всплеск был впервые зафиксирован американскими исследователями еще в 1967 году, и первоначально его сочли доказательством испытаний ядерного оружия в СССР. Однако вскоре выяснилось, что источник гамма- всплесков находится в далеком космосе, причем они с равной вероятностью могут приходить со всех направлений. Сейчас регистрируется в среднем одна гамма-вспышка в сутки.
Долгое время источник этого излучения оставался загадкой. Сейчас считается установленным, что гамма-всплески происходят в процессе образования черных дыр при гравитационном коллапсе звезд либо при поглощении черной дырой другого массивного объекта. Согласно теоретическим моделям, в этом случае из полюсов черной дыры должны выбрасываться джеты — потоки высокоэнергичных частиц и электромагнитного излучения. Когда такой джет ориентирован в направлении нашей планеты, земные астрономы регистрируют гамма-всплеск.
Согласно многим теоретическим моделям, это излучение должно быть поляризовано (то есть колебания электромагнитного поля должны происходить преимущественно в одной плоскости). Однако прежние попытки зарегистрировать эту поляризацию были в целом неудачны: излучение казалось совершенно хаотичным. Таким образом, единственная информация, которую могли извлечь из него астрофизики, — это сам факт образования черной дыры на далеких окраинах Вселенной.
Сейчас благодаря экспериментам китайской космической лаборатории ситуация наконец изменилась, причем полученный результат оказался совершенно неожиданным и труднообъяснимым.
Детектор POLAR представляет собой сравнительно несложный прибор: квадратная панель площадью 0,25 м2 содержит 1600 элементов-сцинтилляторов. Когда гамма-фотон попадает на элемент, исследователи регистрируют его, но при этом может родиться другой фотон, который также регистрируется одним из соседних элементов. Если излучение было неполяризованным, второе событие может произойти где угодно, но при наличии поляризации второй фотон имеет преимущественное направление вылета. Именно эти данные и позволяют сделать вывод о поляризации излучения гамма-всплеска.
За полгода работы POLAR зарегистрировал 55 гамма-всплесков, из которых самые яркие были проанализированы в деталях. Как оказалось, в целом излучение гамма- всплеска — а он продолжается около 10 секунд — не проявляет никакой поляризации. Однако исследователи не удовлетворились этим результатом и решили «нарезать» всплеск на более короткие временные интервалы. И тут оказалось, что на протяжении каждого двухсекундного интервала излучение явным образом поляризовано. При этом направление поляризации меняется от интервала к интервалу.
«Результаты показывают, что, когда происходит взрыв, случается нечто, заставляющее фотоны излучаться с различными поляризациями. Но что бы это могло быть, мы на самом деле не знаем», — пояснил доктор Мерлин Коул из университета Женевы, один из ведущих авторов статьи.
Этот результат представляет собой серьезный вызов для теоретиков. Как оказалось, черная дыра в момент своего рождения посылает на Землю не просто хаотичный всплеск электромагнитной энергии, говорящий «да, это произошло», но куда более сложный, упорядоченный и насыщенный информацией сигнал. Физикам предстоит разработать модели, предсказывающие эволюцию поляризации фотонов в процессе формирования джета черной дыры. С другой стороны, астрофизики-наблюдатели возлагают надежды на новый детектор POLAR-2, который планируется построить в ближайшем будущем. Он будет больше по размеру и обеспечит лучшее разрешение. Таким образом, послание от черных дыр, зашифрованное в изменениях плоскости поляризации излучения, можно будет прочесть в деталях.
О чем в нем говорится? Очевидно, далекому космосу нет дела до человечества и вряд ли черные дыры намерены что-то сообщить нам персонально. С другой стороны, человечеству по какой-то причине есть дело до всего, что происходит во Вселенной. Из поляризационного сигнала, испускаемого черными дырами, оно, вероятно, сможет извлечь важную информацию о фундаментальных законах физики и космологии.
редакция рекомендует
Путешествие в черную дыру в виртуальной реальности