История изучения гамма-всплесков началась 2 июля 1967 года, когда американские спутники Vela зафиксировали вспышку гамма-излучения, источником которого не могли быть ни испытания ядерного оружия в атмосфере или космосе, ни другие известные тогда гамма-излучатели. Вскоре те же спутники обнаружили ещё пятнадцать необъяснимых гамма-всплесков, после чего учёный из Лос-Аламосской национальной лаборатории впервые опубликовал в открытой печати статью на эту тему под названием «Наблюдения гамма-всплесков космического происхождения» ().
По мере наблюдения и изучения новых загадочных вспышек космического гамма-излучения, были предложены сотни моделей для объяснения их происхождения. С 1973 по 2001 год было опубликовано более 5300 научных работ на темы, связанные с гамма-всплесками.
Vela. Открытие гамма-всплесков
Гамма-всплески были совершенно неожиданным открытием, сделанным с помощью военных спутников США, предназначенных для обнаружения испытаний ядерного оружия. Спутниковая группировка Vela была создана для контроля исполнения Советским Союзом «Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой», подписанного в 1963 году; Соединённые Штаты подозревали, что СССР может нарушить этот договор и попытаться скрытно проводить такие испытания. В то время большинство искусственных спутников Земли летали на низких (около 500 миль от поверхности планеты) орбитах, но спутники Vela были подняты на высоту . На таких дальних орбитах они находились за пределами радиационного пояса Земли, что значительно снижало уровень шума в детекторах. Кроме того, эти спутники могли обнаруживать ядерные взрывы на обратной стороне Луны или в пространстве за ней Правительство США полагало, что секретные советские ядерные испытания могут проводиться даже там. В группировке Vela было достаточное количество спутников, расположенных таким образом, что в любой момент времени вспышка гамма-излучения от ядерного взрыва принималась хотя бы четырьмя из них это позволяло с приемлемой точностью локализовать центр возможного ядерного взрыва в атмосфере или околоземном космическом пространстве, и это же дало возможность определить направление на источник гамма-всплеска в космосе.
2 июля 1967 года в 14:19 по всемирному времени спутники Vela 4 и Vela 3 зафиксировали вспышку гамма-излучения, не похожую ни на одну из изученных вспышек излучения от ядерных взрывов. При взрыве атомной бомбы интенсивная вспышка гамма-излучения длится менее одной миллионной доли секунды, затем интенсивность излучения устойчиво снижается по мере распада нестабильных атомных ядер. Но в этом гамма-сигнале не было ни короткой интенсивной вспышки в начале, ни устойчивого снижения потом кривая интенсивности излучения имела два раздельных максимума. В тот день не наблюдалось ни вспышек на Солнце, ни взрывов сверхновых, которыми можно было бы объяснить такое необычное гамма-излучение. Группа учёных Лос-Аламосской национальной лаборатории, возглавляемая , получившая эти данные со спутников, ещё не понимала, что это произошло и почему, однако посчитала их важными и срочно отправила на дальнейшее исследование.
23 мая 1969 года был запущен спутник Vela 5, с усовершенствованными детекторами гамма-излучения, у которых чувствительность и временно́е разрешение были значительно выше, чем у детекторов на Vela 4, но уровень собственных шумов также был выше. Исследовательская группа в Лос-Аламосе ожидала, что новые спутники смогут обнаружить больше гамма-всплесков. И действительно, несмотря на шумовые помехи, по данным с этих детекторов удалось выявить ещё 12 событий, которые явно не были связаны ни с солнечными вспышками, ни со сверхновыми. Некоторые из них имели такую же динамику интенсивности излучения (с двумя пиками), как и первый гамма-всплеск, обнаруженный на Vela 4.
8 апреля 1970 года для более точного определения направлений на источники гамма-всплесков были выведены на орбиту спутники Vela 6. Детекторы на них не были лучше, чем на Vela 5, но орбиты были размещены как можно дальше от орбит спутниковой группировки Vela 5, так, чтобы расстояние между ними обычно было более Такое расстояние уже позволяло определить разность времени прибытия гамма-излучения на спутники. Проанализировав моменты времени обнаружения всплесков на спутниках, команда Клебесадела смогла вычислить направления движения излучения шестнадцати гамма-всплесков. Эти направления оказались случайно распределены по небесной сфере, и стало ясно, что источники гамма-всплесков не находятся ни на Солнце, ни на Земле, ни на Луне, ни на других планетах Солнечной системы.
С 14 марта 1971 по 2 октября 1974 года проработал спутник IMP-6 (NASA), предназначенный для исследования солнечных вспышек. На нём был детектор гамма-лучей, который обнаруживал также гамма-всплески. Практически одновременно с IMP-6 (с 29 сентября 1971 по 9 июля 1974 года) действовала орбитальная солнечная обсерватория OSO 7, также принадлежавшая NASA. На ней также был детектор гамма-лучей, а ещё рентгеновский телескоп для измерения жёстких, высокоэнергичных рентгеновских лучей от источников по всему небу. И в эти же годы советский спутник «Космос-461», запущенный в декабре 1971-го, дал первое независимое подтверждение существования гамма-всплесков.
В 1973 году Рэй Клебасадел, Рой Олсон (Roy Olson) и Ян Стронг (Ian Strong) опубликовали в Астрофизическом журнале статью «Наблюдения гамма-всплесков космического происхождения» () с рассекреченными результатами наблюдений 16 коротких гамма-всплесков, обнаруженных спутниками Vela-5А/В и Vela-6А/D с июля 1969 по июль 1972, и выводами о космическом происхождении этого гамма-излучения. Вскоре Клебасадел доложил о своих открытиях на 140-м заседании Американского астрономического общества (). Интервью у него взял только таблоид , однако эта новость быстро распространилась в научном сообществе.
Межпланетная сеть Вскоре после открытия гамма-всплесков большинство астрономов согласились с тем, что для установления источников и причин гамма-всплесков нужно найти связь между ними и астрономическими объектами, наблюдаемыми в других диапазонах электромагнитных волн, особенно в видимом свете; этот подход уже был успешно применён в радиоастрономии и рентгеновской астрономии. Но для проведения наблюдений возможных источников гамма-всплесков в других диапазонах требовалось устанавливать направления на источники с большей точностью, нежели та, которую могла обеспечить спутниковая группировка Vela. Для повышения точности нужно было расположить детекторы гамма-излучения на бо́льших расстояниях друг от друга, а значит отправить такие космические аппараты не только на околоземные орбиты, но и в межпланетное пространство Солнечной системы.
К концу 1978 года первая была запущена в эксплуатацию. Кроме спутников Vela, в неё вошли советский спутник «Прогноз-7» на околоземной эллиптической орбите, германский межпланетный космический аппарат на гелиоцентрической эллиптической орбите, а также три искусственных спутника Венеры: «Пионер-Венера-1» (NASA), «Венера-11» и «Венера-12» (СССР). Изучением данных с этих космических аппаратов занималась группа учёных, возглавляемая Кевином Хёрли (Kevin Hurley), в Институте космических исследований АН СССР в Москве. Им удалось определить направления на источники гамма-всплесков с точностью до нескольких минут дуги. По этим направлениям проводились астрономические исследования с помощью самых мощных телескопов, но ничего интересного там обнаружить не удалось, и вопрос о том, что могло породить гамма-всплески, оставался открытым.
В 1978 1983 годах Физико-техническим институтом РАН проводился длительный эксперимент «КОНУС» с использованием межпланетных станций Венера-11 Венера-14. В ходе него было показано существование отдельного класса коротких всплесков («бимодальное распределение» всплесков по длительности), и впервые установлено, что распределение всплесков по небесной сфере носит случайный характер.
Было выдвинуто множество гипотез и теорий происхождения гамма-всплесков, большинство которых предполагали, что источники этого гамма-излучения находятся в нашей Галактике. Однако определить расстояния до источников и проверить эти гипотезы тогда никак не удавалось, изучение гамма-всплесков продвигалось медленно.
«Комптон». Короткие и длинные всплески
В 1991 году была запущена орбитальная обсерватория «Комптон» с детекторами гамма-излучения, значительно более чувствительными, чем на предшествующих космических аппаратах. Её наблюдения показали, что источники гамма-всплесков расположены со всех сторон равномерно, и нет никакого преобладающего направления. В частности, их расположение никак не связано ни с центром, ни с плоскостью Млечного Пути. Наша Галактика имеет довольно плоскую структуру, и если бы источники гамма-всплесков находились в ней, то направления на большинство из них оказались бы сосредоточены вдоль галактической плоскости.
По данным «Комптона» удалось выделить два основных типа гамма-всплесков: короткие всплески жёсткого гамма-излучения и более длинные всплески более мягкого гамма-излучения. Короткие всплески обычно длятся менее двух секунд, и в них преобладают гамма-кванты высоких энергий; длинные могут продолжаться намного дольше и в них преобладают гамма-кванты с более низкими энергиями. Чёткой границы между короткими и длинными гамма-всплесками нет: наблюдались также средние по длительности и энергиям квантов всплески, и некоторые исследователи предложили выделить третий тип. Тем не менее, было накоплено достаточно данных о гамма-всплесках, чтобы различие между короткими и длинными всплесками можно было считать значимым и предполагать, что существуют разные типы их источников. Была выдвинута гипотеза о том, какие космические события могут приводить к излучению каждого типа гамма-всплесков: слияние системы нейтронных звёзд, слияние нейтронной звезды и белого карлика, коллапс массивной звезды.
После открытия первых гамма-всплесков астрономы десятилетиями искали на местах недавних всплесков космические объекты, которые могли бы быть источниками этих всплесков. Под подозрение попадали белые карлики, пульсары, сверхновые, шаровые звёздные скопления, квазары, сейфертовские галактики и лацертиды. Особое внимание исследователи уделяли объектам с необычными характеристиками: большой скоростью собственного движения, значительной поляризацией излучения, орбитальной модуляцией яркости, частым мерцанием, необычным спектром излучения и редко встречающимися спектральными линиями, необычной формой. Но с самого открытия гамма-всплесков и до 1980-х годов только одному гамма-всплеску GRB 790305b удалось сопоставить известный астрономический объект, могущий быть его источником: туманность (остаток сверхновой) LMC N49 в галактике Большое Магелланово Облако. Другие попытки найти источники гамма-всплесков, предпринятые в те годы, потерпели неудачу из-за низкого разрешения имевшихся детекторов. Оставалась надежда на то, что удастся обнаружить «послесвечение» слабое затухающее излучение в каком-либо диапазоне электромагнитных волн, начинающееся сразу же после гамма-всплеска и продолжающееся некоторое время.
BeppoSAX. Определение расстояний до источников
В начале 1980 года группа исследователей из римского университета «Сапиенца», возглавлявшаяся Ливио Скарси (Livio Scarsi) занялась разработкой рентгеноастрономического спутника Satellite per Astronomia X. В этом проекте сотрудничали Итальянское космическое агентство и . Хотя первоначально этот космический аппарат предназначался только для астрономических наблюдений в рентгеновском диапазоне, Энрико Коста (Enrico Costa) из предложил использовать четыре защитных экрана на спутнике в качестве детекторов гамма-всплесков. Выполнение проекта продвигалось с задержками, в итоге было потрачено десять лет и около долларов США, прежде чем этот спутник, переименованный в BeppoSAX в честь Джузеппе Оккиалини, был запущен 30 апреля 1996 года.