Инфракрасная и ультрафиолетовая Вселенная

ОТКРЫТИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В 1800 г. Уильям Гершель проделал эксперимент, который открыл «эру невидимого» в астрономии. Учёный решил проверить, одинаково ли греют лучи разных частей спектра. Пропустив пучок солнечного света через призму, он разложил вдоль радужной полоски термометры так, чтобы они освещались лучами разных цветов. А один термометр он поместил за границей цветной полоски, рядом с красным краем спектра. Оказалось, что термометр, на который не попадало никаких видимых лучей, тоже нагревался! Значит, заключил Гершель, помимо видимого излучения есть ещё невидимое; он назвал его инфракрасным.
Сегодня известно, что инфракрасное излучение занимает обширный участок спектра электромагнитных волн между радиоволнами и красным светом: от 1 мм (1000 мкм) до 0,8 мкм. Впрочем, земная атмосфера для большей части инфракрасных лучей непрозрачна (она пропускает лишь излучение в диапазоне 0,75 — 5 мкм). Главными поглотителями этого излучения являются водяной пар и углекислый газ. Последний — основной виновник разогревания атмосферы вследствие так называемого парникового эффекта.

КАК ПОЙМАТЬ НЕВИДИМКУ?

В XIX в. для обнаружения инфракрасного излучения астрономы пользовались термопарами — двумя соединёнными проволочками из разных металлов. Если место их соединения нагревают ИК-лучи, то на концах проволочек возникнет электродвижущая сила. Измеряя её, можно узнать интенсивность ИК-лучей, попавших на термопару, а по ней — и температуру небесного тела. Именно так в прошлом веке определили температуру поверхности Луны, а затем и планет.
Следующим шагом стало создание болометра. Главным элементом этого прибора является зачернённая полоска фольги специального состава, поглощающая ИК-лучи. Электрическое сопротивление фольги меняется при повышении температуры. Измерив это изменение, также можно установить интенсивность падающего на неё инфракрасного излучения. В настоящее время в качестве детекторов с успехом применяют и полупроводниковые кристаллы.
И всё же чувствительность этих приборов остаётся невысокой, а трудности измерений очень велики. Ведь в инфракрасном диапазоне излучают не только звёзды и планеты, но и все предметы вообще, в том числе детали аппаратуры, «забивая» слабый сигнал от небесных тел. Чтобы ослабить эти помехи, аппаратуру охлаждали -сначала «сухим льдом» (твёрдой углекислотой), позднее жидким азотом и наконец жидким гелием. Для уменьшения собственного излучения начали охлаждать и сами детекторы. Только после этого чувствительность аппаратуры стала удовлетворять требованиям астрономов.
В качестве собирающих устройств в инфракрасных телескопах используются обычные вогнутые зеркала, как и при оптических наблюдениях. Однако требования к точности обработки отражающей поверхности здесь значительно ниже, поэтому изготовление рефлекторов с диаметрами зеркал 2-4 м особых технических сложностей не представляет.
Наблюдения в ИК-лучах можно выполнять при помощи наземных телескопов, установленных высоко в горах, со стратостатов и даже с высотных самолётов. С развитием космической техники наступила очередь телескопов, размещаемых на спутниках. Большое значение имел вывод на околоземную орбиту в 1983 г. американо-англо-голландского инфракрасного телескопа IRAS, в котором использовалось охлаждение приёмной аппаратуры жидким гелием. Телескоп проработал на орбите год, пока не испарился весь 300-литровый запас гелия. За это время учёным удалось многое узнать об инфракрасной Вселенной.

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАНЕТ

Первыми объектами инфракрасных наблюдений на современной аппаратуре стали планеты Солнечной системы. Начало полётов в космос оживило интерес к проблеме жизни вне Земли. Астрономы принялись настойчиво измерять температуры поверхностей планет и их атмосфер, пытаясь найти благоприятные для жизни условия (разумеется, по земным меркам). Оценки температуры не вселяли особых надежд: 500 °С на Меркурии; -140° на Юпитере; -160° на Сатурне. Зато наделало много шума обнаружение американским астрономом Уильямом Синтоном в инфракрасном спектре Марса двух полос, характерных для углеводов — простейших органических соединений. Казалось, вопрос о жизни на Марсе близок к решению… Однако проверка показала, что открытые Синтоном полосы имеют не марсианское, а земное происхождение и скорее всего принадлежат парам тяжёлой воды в атмосфере Земли.
Инфракрасные наблюдения планет-гигантов позволили уточнить структуру их атмосфер, обнаружить водяной лёд на их спутниках. Было открыто собственное излучение Юпитера и Сатурна, связанное не только с нагревом солнечными лучами, но и с внутренними источниками тепла у этих планет.

НОВАЯ КАРТА НЕБА

После появления инфракрасных телескопов с 3-4-метровыми объективами астрономы развернули работу по составлению карт неба в инфракрасных лучах. Проводя регулярные обзоры неба, они определяли координаты инфракрасных источников и оценивали энергию приходящего от них излучения. В итоге человек впервые сумел взглянуть на небо в невидимых «тепловых» лучах. Результаты оказались впечатляющими.
На инфракрасном небе пропали яркие голубые и белые звёзды. Исчезли с небосвода созвездия Большой Медведицы, Ориона, Кассиопеи, не стало Сириуса, Проциона, Ригеля. Яркие красные звёзды — Бетельгейзе, Антарес, Альдебаран — мало изменились в блеске. Но появились и другие звёзды, которых раньше не было видно на небосводе: тусклые тёмно-красные источники, похожие на тлеющие угольки.
Многие из них — даже ещё не звёзды, а протозвёзды, т. е. сгущения межзвёздной среды, сжимающиеся под действием собственного тяготения. Это холодные газовые шары, окружённые газопылевыми оболочками. В некоторых из них только начинаются ядерные реакции, характерные для «настоящих» звёзд. Не исключено, что одновременно с образованием звёзд идёт и формирование планетных систем. Именно такие удивительные объекты обнаружены в созвездиях Тельца, Лебедя и Ориона, в том числе в знаменитой туманности Ориона.
Источником сильного инфракрасного излучения может стать и горячая звезда, если она окружена облаком пыли или пылевым диском. Пыль поглощает коротковолновое и видимое излучение и переизлучает его энергию в инфракрасных лучах. Примером может служить Вега, окружённая диском, от которого исходит мощное ИК-излучение.
Орбитальный телескоп IRAS исследовал излучение центральной области Млечного Пути в длинноволновой части инфракрасного диапазона.
То, что центр нашей Галактики испускает ИК-лучи, было известно давно. Ещё в 1951 г. советские астрономы первыми получили снимки галактического центра в сравнительно коротковолновых ИК-лучах. В качестве приёмника излучения они использовали техническую новинку того времени — электронно-лучевую трубку, фотокатод которой чувствителен к инфракрасным лучам. В результате было обнаружено излучение звёзд ядра, видимый свет которых очень сильно поглощается межзвёздной пылью.
Аппаратура, установленная на IRAS, принимала излучение на длинах волн 12, 25, 60 и 100 мкм. В этих лучах светят уже не сами звёзды, а пыль вблизи звёзд или между ними. IRAS зарегистрировал очень много источников: инфракрасные объекты в ядре Галактики, излучение узкой полосы вдоль Млечного Пути, где концентрируются межзвёздный газ и пыль, и большое количество звёзд с пылевыми оболочками.
Более 10 тыс. источников удалось отождествить с внегалактическими объектами: галактиками (преимущественно спиральными) и квазара-ми — очень далёкими и мощными точечными источниками. Во многих случаях излучение галактик в инфракрасном диапазоне сравнимо по мощности с наблюдаемым оптическим излучением или даже превосходит его. В основном это излучение связано с молодыми горячими звёздами, которые рождаются в непрозрачных (для видимых и ультрафиолетовых лучей) областях галактик и нагревают окружающую их пылевую среду до нескольких десятков кельви-нов, из-за чего она начинает светиться в инфракрасном диапазоне. По мощности этого излучения астрономы количественно оценивают темпы образования звёзд в галактиках.
В некоторых случаях мощность инфракрасного излучения ядер галактик и квазаров оказалась невероятно высокой — сотни миллиардов свети-мостей Солнца. Механизм образования таких источников ещё ждёт своего объяснения.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Тот, кто хотя бы раз поднимался в горы, знает, что Солнце там гораздо жарче, чем на равнине: оно очень быстро обжигает кожу. В то же время люди, живущие в горах, реже страдают насморком, ангиной и другими простудными заболеваниями. Неужели солнечный свет там чем-то отличается от равнинного? Да, в нём больше ультрафиолетовых (УФ) лучей, у которых длины волн короче, чем у видимого света. Ультрафиолетовая часть спектра охватывает участок с длинами волн от 0,3 до 0,01 мкм. Загар вызывается мягкими ультрафиолетовыми лучами со сравнительно большой длиной волны. Коротковолновые, или жёсткие, ультрафиолетовые лучи, к счастью, не проходят через земную атмосферу.
В газовой среде, например в межзвёздном пространстве, жёсткие, энергичные ультрафиолетовые кванты ионизуют атомы различных элементов. При этом энергия кванта передаётся одному из электронов, и он отрывается от родного атома, отправляясь в «свободное плавание». Нейтральный атом, потеряв электрон, приобретает электрический заряд и превращается в положительный ион. «Сбежавший» электрон может вновь присоединиться к какому-нибудь ионизованному атому, тогда последний опять становится нейтральным.
Газ, образованный не нейтральными атомами, а положительно и отрицательно заряженными частицами (как правило, положительными ионами и электронами), называется плазмой. Плазма проводит электрический ток, и на её движение очень сильно влияет магнитное поле. Учёные установили, что Вселенная в основном состоит из плазмы. Лишь планеты, межпланетная и межзвёздная пыль да газ в холодных «уголках» Вселенной, куда не проникает коротковолновое ионизующее излучение, содержат вещество в иных состояниях.
Газовые облака, ионизуемые ультрафиолетовым светом горячих звёзд, сами становятся мощными источниками излучения. Их именуют светлыми газовыми туманностями или областями ионизованного водорода. Там, где они наблюдаются, можно ожидать присутствие молодых горячих звёзд, которые из-за своей высокой температуры излучают большую часть энергии в ультрафиолетовой области спектра.
Итак, на ультрафиолетовое излучение природа возложила важную миссию — быть «главным ионизатором» рассеянного (т. е. не заключённого в звёзды) вещества.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА

В излучении Солнца должно быть довольно много ультрафиолетовых лучей, значительно больше, чем это наблюдается с Земли, поскольку их поглощает земная атмосфера. Запуски беспилотных шаров-зондов, поднимавших на высоту 30 и более километров измерительные приборы и радиопередатчики, показали, что выше 25-28 км температура воздуха растёт, достигая максимума на уровне 30- 35 км. Ещё выше температура снова падает, а интенсивность УФ-лучей увеличивается. Учёные сделали вывод, что на высоте 30-35 км происходит интенсивное поглощение солнечного ультрафиолетового излучения с образованием озона — вещества, молекула которого состоит из трёх (а не двух, как обычно) атомов кислорода. Озон очень сильно поглощает лучи с длинами волн короче 0,3 мкм, спасая нас от их опасного воздействия на кожу и органы зрения. Вот почему тревогу вызывает существование озоновых дыр — через эти разрывы в озоновом слое солнечные УФ-лучи достигают земной поверхности. Одной из причин разрушения озонового «щита» служат выбросы в атмосферу фторуг-леродных соединений, широко используемых в холодильниках.
Но не только на образование озона расходуется энергия солнечных УФ-лучей.
Радиоволны, как и все электромагнитные волны, должны распространяться прямолинейно. Значит, поскольку Земля — шар, радиосвязь между Европой и Америкой невозможна? Итальянский радиотехник Гульеяь-мо Маркони осуществил в 1901 г. прямую радиосвязь между Англией и США, раз и навсегда доказав, что радиоволны могут огибать земной шар. Для этого им надо отразиться от какого-то «зеркала», висящего над земной поверхностью на высоте 150-300 км. Таким «зеркалом» служат ионизованные слои атмосферы, а источником ионизации — ультрафиолетовое излучение Солнца. Словом, УФ-лучи властно вторгаются в земные дела.
Теперь оставалось немногое непосредственно измерить интенсивность УФ-излучения Солнца. Создание баллистических ракет позволило исследователям вынести аппаратуру за пределы земной атмосферы, на высоту более 100 км. И первые же запуски увенчались успехом: УФ-излучение Солнца было обнаружено и измерено. Излучение с длинами волн короче 0,15 мкм связано уже не с видимой поверхностью Солнца, а с более высокими и горячими атмосферными слоями. Спектр этого излучения содержит яркие эмиссионные линии (линии испускания), самая сильная из которых (0,12 мкм) принадлежит нейтральному водороду.
С развитием спутниковой астрономии исследование ультрафиолетового излучения Солнца стало её обязательным компонентом. Причина ясна: УФ-излучение контролирует состояние ионизованных слоев атмосферы, а следовательно, и условия радиосвязи на Земле, особенно в полярных районах. Эта не слишком приятная зависимость от капризов Солнца стала ослабевать лишь в последние десятилетия, с развитием спутниковой связи.

КОСМИЧЕСКОЕ «ОРУЖИЕ БЛИЖНЕГО БОЯ»

Исследование ультрафиолетового излучения небесных объектов началось довольно давно — с появлением астрофотографии. Ведь фотоэмульсии чувствительны не только к видимому свету, но и к УФ-излучению. Однако для изучения жёсткого, коротковолнового, излучения небесных тел понадобилось вынести приборы за пределы атмосферы. Здесь трудно было ожидать больших сюрпризов. Жёсткое УФ-излучение — это «оружие ближнего боя», оно не может распространяться в межзвёздной среде на большие расстояния. Его высокая ионизующая способность приводит к быстрой потере энергии и поглощению космических УФ-квантов газом, который для длинноволнового излучения совершенно прозрачен.
Основным межзвёздным поглотителем является водород. Он ионизуется УФ-излучением с длинами волн менее 912 А (0,0912 мкм). Но его энергия может перейти к более длинноволновым квантам и «высветиться» в эмиссионных линиях, которые испытывают значительно меньшее поглощение и наблюдаются с больших расстояний. Нагретый УФ-квантами газ излучает не только свет, но и радиоволны, поэтому наблюдения межзвёздных облаков ионизованного водорода проводятся и в оптическом, и в радиодиапазоне. Они позволяют узнать, где находятся далёкие источники жёстких ультрафиолетовых лучей и измерить их мощность.
Источники мощного УФ-излуче-ния не так часто встречаются в космосе. В основном это очень горячие звёзды большой светимости с температурой поверхности выше 20- 25 тыс. Кельвинов. По цвету такие звёзды кажутся голубыми или бело-голубыми; типичным примером служит Ригель в созвездии Ориона. Большинство подобных звёзд сосредоточены в галактической плоскости, в спиральных ветвях. Их свет сильно ослабляется из-за поглощения газом и пылью, которые тоже сосредоточены в галактической плоскости. Но интерес к ним астрономов велик, поскольку эти звёзды молоды: их возраст исчисляется лишь миллионами лет, тогда как Солнце существует не менее 5 млрд лет. Наблюдения молодых звёзд помогают лучше понять процессы, приводящие к их образованию, и проследить пути звёздной эволюции.
Впрочем, совсем без неожиданностей всё-таки не обошлось. Старые звёзды в ядрах и нашей Галактики, и галактики Андромеды, и дальних эллиптических звёздных систем излучают гораздо больше ультрафиолетовых лучей, чем ожидалось. По-видимому, дело в том, что среди старых звёзд также встречаются горячие объекты, излучающие в ультрафиолетовом диапазоне. Это звёзды с очень низким содержанием металлов и белые карлики, уже прошедшие в своём развитии стадию красных гигантов. Измерение УФ-излучения звёздных систем даёт ключ к выяснению их звёздного состава.
Но, пожалуй, наиболее высокую ультрафиолетовую светимость, причём, как правило, быстроперемен-ную, имеют активные ядра галактик и квазары. И излучение это исходит не только от горячих звёзд. Там имеются незвёздные, или, как говорят, нетепловые источники очень большой мощности. Изучение их природы — одна из актуальных задач астрономии.