Нил Тайсон - Добро пожаловать во Вселенную

В Млечном Пути на один кубический парсек приходится примерно одна звезда. Всего в нашей галактике 1011 звезд, и примерно каждые

100 лет взрывается одна сверхновая. Сколько приблизительно времени

55

ЧАСТЬ I. Звезды, планеты, жизнь пройдет, прежде чем очередная сверхновая взорвется достаточно близко к Земле (в пределах 30 парсек) и существенно повлияет на атмосферу

Земли? Следует ли из вашего ответа, что за будущее Земли следует всерьез опасаться?

53. Нас прошивают нейтрино

В 1987 году астрономический мир потрясли новости о взрыве сверхновой в Большом Магеллановом облаке, карликовой галактике-компаньоне Млечного Пути, до которой от нас 150 000 световых лет. Это ближайшая к нам сверхновая, из наблюдавшихся за последние 400 лет, и ее удалось изучить подробнейшим образом. Светимость ее была огромна, при взрыве за несколько недель высвободилось столько видимого света, сколько Солнце излучит за 108 лет. В южном полушарии ее было видно невооруженным глазом. Однако теории механизмов, действующих при взрывах сверхновых, показывают, что видимый свет составляет лишь малую долю энергии, излучаемой при взрыве, а основная ее часть излучается в виде нейтрино. Когда сверхновая 1987 года была обнаружена, Джон Бакал из Принстонского Института перспективных исследований и его коллеги проделали приведенные ниже расчеты, задавшись вопросом, можно ли зарегистрировать здесь, на Земле, нейтрино от взрыва этой сверхновой.

53. аЭнергия взрыва сверхновой в основном порождается гравитационным коллапсом ядра звезды в момент, когда это ядро становится железным; в результате этого коллапса внутренняя «доменная печь» отключается. Гравитационная потенциальная энергия ядра массы М и радиуса r 2 примерно равна GM , где G — гравитационная постоянная Ньютона. Такая r энергия высвобождается в момент коллапса за одну-две секунды! Ядро звезды обладает массой, равной массе Солнца, а его радиус сравним с ра-

56

7—8. Жизнь и смерть звезд диусом нейтронной звезды — 10 километров. Вычислите общую энергию, испускаемую сверхновой, в джоулях.

53. bМы упоминали, что энергия, которую вы только что вычислили, испускается в основном в виде нейтрино, видимый свет сверхновой составляет всего около 0,01 % от общей энергии взрыва. Каждое нейтрино несет энергию приблизительно 1,5 10–12 Дж. Вычислите, сколько нейтрино излучается при взрыве сверхновой. (Вычислить это проще простого, зато получится огромное число!)

53. сУченые создали много разных детекторов нейтрино (чтобы искать нейтрино от другого интересного объекта — нашего Солнца,). Один из самых больших — японская установка «Камиоканде». В 1987 году она состояла из водяного куба со стороной примерно в 10 метров (позже ее расширили).

Вычислите, сколько нейтрино от сверхновой прошло сквозь этот водяной куб.

Подсказка: закон обратных квадратов справедлив для нейтрино точно так же, как и для света. Рассмотрите площадь детектора и помните, что нейтрино распространяются от сверхновой во все стороны и к моменту попадания в детектор «Камиоканде» они распределились по поверхности огромной сферы со сверхновой в центре.

53. dНейтрино — призрачные частицы, зарегистрировать их очень трудно (но все же возможно). Типичное нейтрино прошивает всю Землю незамеченным, и с ним ничего не происходит. Однако, как выяснилось, примерно 1 из 5 1015 (то есть одно из пяти квадриллионов!) нейтрино, проходящих сквозь детектор «Камиоканде», взаимодействует с водой в детекторе, и благодаря этому его регистрируют. Вычислите, сколько нейтрино зарегистрировали в этом детекторе.

54. Вот это взрыв!

Астрономов уже давно очень интересуют гамма-всплески, которые, как следует из их названия, представляют собой внезапные вспышки высокоэнергичных фотонов, наблюдающиеся на небе в случайных местах. Такие

57

ЧАСТЬ I. Звезды, планеты, жизнь всплески — предмет интенсивных исследований, и сейчас считается, что по крайней мере некоторые из них, вероятно, связаны с агонией массивных звезд, коллапсирующих в черные дыры. Гамма-всплески — явление не очень частое, спутник НАСА «Свифт», предназначенный для их регистрации, фиксирует меньше 100 всплесков в год. Однако 19 марта 2008 года стало особым днем для «Свифта»: он зарегистрировал целых пять гамма-всплесков, причем один из них, названный GRB 080319B, оказался мощнейшим за всю историю наблюдений. Более того, на некоторое время этот объект стал абсолютным рекордсменом по светимости во всей наблюдаемой Вселенной. В этой задаче вы вычислите его параметры и поймете, какое это было выдающееся открытие. Вы проделаете те же вычисления, какие сделали профессиональные астрономы со всего мира, когда они узнали об этом всплеске.

54. аУстановленный на «Свифте» телескоп ВАТ ( Burst Alert Telescope ) зарегистрировал от GRB 080319B около 70 000 фотонов в секунду, всплеск длился около 30 секунд. Эффективная чувствительная площадь у ВАТ равна

500 см2, если учесть все коэффициенты восприимчивости. Большинство фотонов этого гамма-всплеска обладало энергией около 100 килоэлектроновольт (кэВ). Для справки: 1 кэВ равен примерно 1,6 10–16 Дж. Вычислите яркость гамма-лучей от GRB 080319B в стандартных единицах МКС (джоуль/

секунда/метр2).

54. bГамма-всплески часто сопровождаются излучением фотонов видимого света. Видимое излучение от GRB 080319B было достаточно ярким, чтобы этот объект был виден (хоть и с трудом) невооруженным глазом, с яркостью около 1 10–10 Дж/с/м2 (соответствует примерно шестой звездной величине). Вспышка видимого света тоже продлилась около 30 секунд.

Каково отношение яркости гамма-излучения и видимого излучения этого гамма-всплеска?

54. сКогда астрономы измерили спектр видимого света от GRB

080319B, они сумели измерить его красное смещение . В главе 14 «Боль-

58

7—8. Жизнь и смерть звезд шого космического путешествия» рассказано, как это позволяет определить расстояние. Красное смещение GRB 080319B составляет 0,94, что соответствует расстоянию в целых 11 миллиардов световых лет. Просто поразительно, что такой далекий объект был виден невооруженным глазом, пусть и недолго! Вычислите общее количество энергии (в джоулях), излученное этим объектом. Проделайте расчеты отдельно для энергии гамма-излучения и энергии видимого света. Подсказка: помните, что све-

тимость — это энергия в единицу времени в джоулях в секунду. Поэтому вычислите светимость и умножьте ее на продолжительность вспышки. По-

скольку Вселенная расширяется, а красное смещение на таком расстоянии достаточно велико, энергия на фотон, зарегистрированный нами, меньше, чем излучаемая энергия, в (1 + красное смещение) 2 раза. Это спра-