Рентгеновская и гамма-астрономия

ЛУЧИ НЕ ЗНАЮЩИЕ ПРЕГРАД

В конце XIX в. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл невидимые лучи, названные в его честь рентгеновскими. Новые лучи привлекли всеобщее внимание своей проникающей способностью: они свободно проходили через слои бумаги, картона, дерева и даже тонкие листы металла (однако, не всякого: свинец, например, оказался для них труднопреодолимым препятствием). Учёные установили, что рентгеновские лучи — это электромагнитные колебания с очень малыми длинами волн и большой энергией квантов — от 1000 до десятков тысяч электрон-вольт.
Лучи Рентгена очень скоро стали использовать в медицине — для наблюдения внутренних органов; в материаловедении — для выявления скрытых дефектов изделий. Большую роль сыграло их применение в исследовании кристаллов. Дело в том, что межатомные расстояния в кристаллах близки к длинам волн рентгеновских лучей, поэтому отражение и дифракция этих лучей в кристаллах позволяют определить расположение атомов в пространстве. Таким образом были разработаны методы исследования атомной структуры вещества.
Казалось, однако, что для астрономии открытие Рентгена не имеет никакого значения. Более или менее мощный поток рентгеновских лучей от небесных светил возможен лишь в том случае, если температура их приближается к миллионам градусов. А таких температур на поверхностях обычных звёзд быть не может. И никто даже не предполагал, что прямо над нашими головами каждый день появляется источник внеземного рентгеновского излучения. Речь идёт, конечно, о Солнце.

РОЖДЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОЙ АСТРОНОМИИ

Долгое отсутствие каких-либо данных о рентгеновском излучении Солнца объясняется экранирующим действием земной атмосферы, которая поглощает практически всё коротковолновое излучение, идущее из космоса.
Правда, в 30-х гг. XX в. возникло подозрение, что в нарушениях дальней радиосвязи в дневное время повинно рентгеновское излучение. Считалось, что оно, исходя от внеатмосферного источника, создаёт дополнительный ионизованный слой в земной атмосфере на высоте около 80 км (его назвали слоем D). Но для доказательства данной гипотезы требовалось вынести приборы за его пределы. Это стало возможным только в послевоенные годы.
В конце 40-х гг. детекторы рентгеновских лучей на баллистических ракетах были подняты на высоту более 100 км. С их помощью удалось зарегистрировать рентгеновское излучение, испускаемое при солнечной вспышке. Этот своеобразный «магнитный взрыв» на Солнце сопровождается выбросом частиц высокой энергии — солнечных космических лучей — и мощным импульсом рентгеновского излучения. Кроме того, приборы зафиксировали и диффузное (размытое) излучение неба в рентгеновских лучах.
В 60-х гг. были обнаружены два других рентгеновских источника. Один из них оказался связанным с Крабовидной туманностью — газовым остатком сверхновой звезды, второй — со странной звездой в созвездии Скорпиона (она получила обозначение Скорпион Х-1). В 70-х гг. регулярные наблюдения со специальных искусственных спутников — рентгеновских обсерваторий «Ухуру» и «Эйнштейн» — обогатили картину неба в рентгеновских лучах новыми деталями.
Для регистрации космических рентгеновских лучей физики предоставили астрономам большой набор приёмных устройств. Сначала применялась фотоплёнка, похожая на ту, что используется в рентгеновских кабинетах; потом появились счётчики Гейгера; затем газовые, так называемые пропорциональные счётчики и наконец специальные полупроводниковые устройства, способные не только улавливать рентгеновские кванты, но и определять их энергию. Долгое время основным недостатком рентгеновских приёмников излучения была низкая разрешающая способность, однако впоследствии использование на рентгеновских обсерваториях специальных металлических зеркал обеспечило угловое разрешение не менее I».

РЕНТГЕНОВСКОЕ НЕБО

Каталоги, составленные на основе спутниковых наблюдений, включают тысячи космических источников рентгеновского излучения. Сотни из них отождествлены с оптическими объектами.
Среди рентгеновских источников немало галактических объектов: остатки сверхновых звёзд (в частности, Крабовидная туманность и находящийся в ней пульсар), тесные двойные системы, центральная область (ядро) Галактики. Но многие источники лежат за пределами нашей звёздной системы: это другие галактики, как обычные (туманность Андромеды), так и необычные (галактика Дева А из скопления галактик в созвездии Девы). Мощными источниками рентгеновского излучения оказались ядра галактик с признаками высокой активности и квазары, как правило быстро меняющие свою рентгеновскую светимость. В крупных скоплениях галактик в рентгеновских лучах наблюдается также разреженный горячий газ, заполняющий межгалактическое пространство.
Особенно интересна природа рентгеновских источников, связанных с тесными двойными системами (так называется объединённая взаимным тяготением пара очень близких друг к другу звёзд), в которых один компонент — очень компактный объект (нейтронная звезда или чёрная дыра), а второй — гигант или сверхгигант. Расстояние между членами пары невелико, поэтому при определённых условиях вещество может активно перетекать со звезды-гиганта на компактную звезду. Оно выпадает на поверхность нейтронной звезды в области магнитных полюсов либо «наматывается» в её экваториальной плоскости, подобно магнитофонной ленте на катушку, образуя вокруг звезды газовый диск. Так как компактная звезда имеет достаточно большую массу (порядка массы Солнца) и малые размеры (15-20 км в диаметре), падающее вещество приобретает огромные скорости — десятки тысяч километров в секунду, сильно уплотняется и разогревается до температуры свыше миллиона градусов. Двойная звезда превращается в мощный источник рентгеновских лучей!
Если газ падает в область магнитных полюсов нейтронной звезды, то её быстрое вращение делает принимаемое рентгеновское излучение переменным. Такие источники называются рентгеновскими пульсарами. Их известно несколько десятков.
Неспокойным, наполненным бурными событиями, катастрофами и взрывами невиданных масштабов предстаёт перед нами космос в рентгеновских лучах. Как он не похож на тихий, спокойный почти неизменный мир в видимом свете с безмолвным мерцанием тысяч звёзд!

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Во всех курсах физики — от школьного до университетского — описывается такой эксперимент: свинцовая коробочка с маленьким отверстием сверху, наполненная солью радия, ставится под фотопластинку. На проявленной пластинке обнаруживается пятно — признак того, что радий испускает какие-то лучи. (Именно таким образом в 1896 г. французский учёный Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности.) Если же поместить коробочку с радием между полюсами сильного магнита, на фотопластинке появятся три пятна: одно — точно над отверстием, второе будет немного смещено в сторону, а третье — тоже смещено, но гораздо больше и в противоположную сторону. Очевидно, радиоактивное вещество испускает частицы трёх видов: заряженные положительно (отклоняются слабо), заряженные отрицательно (отклоняются сильно) и лишённые электрического заряда (вообще не отклоняются). Они получили соответственно названия альфа-, бета- и гамма-лучей. Вскоре выяснилось, что альфа-лучи — это поток ядер гелия, бета-лучи — поток быстрых электронов, а гамма-лучи — родственники света, электромагнитные волны, более короткие, чем рентгеновские, с длинами волн в стотысячные доли микрометра (и даже ещё меньше).
Если лучи видимого света порождаются атомами, то гамма-лучи — в основном атомными ядрами. Атом способен перейти в возбуждённое состояние, поглотив порцию (квант) энергии; вслед за тем, возвращаясь в основное состояние, он испускает свет, образующий те самые линии, которые мы видим в спектроскопе. Точно так же возбуждённое, т. е. поглотившее энергию, ядро способно излучать её, но уже в виде гамма-лучей.
В полном соответствии с законами квантовой механики гамма-лучи из-за очень малой длины волны, а следовательно, мощной энергии квантов, гораздо больше похожи по поведению на поток частиц, чем на волны. Поэтому их, как правило, характеризуют не длиной волны, а энергией квантов: вместо «излучение с длиной волны 10’6 мкм>> предпочитают говорить «гамма-квант с энергией 1,2 МэВ».
Гамма-лучи испускаются не только возбуждённым атомным ядром. Они могут возникать при столкновении высокоэнергичных частиц, так называемом комптоновском рассеянии — обмене энергией между обычным излучением и высокоэнергичными электронами. Гамма-лучи возникают и при пролёте быстрого электрона в электрическом поле протона или атомного ядра (такое излучение образно именуют «тормозным»). Их источником является также процесс аннигиляции — превращения пары частица-античастица в гамма-кванты.
Физики создали приборы, позволяющие обнаружить гамма-кванты, определить их направление и энергию. Но какое это имеет отношение к астрономии? Самое непосредственное.
В недрах звёзд протекают многочисленные ядерные реакции; в пространстве между звёздами с околосветовыми скоростями проносятся частицы космических лучей; в космосе происходит аннигиляция частиц и античастиц. Значит, должны существовать космические гамма-лучи.
Уловить их на поверхности Земли невозможно — мешает атмосфера, мощная броня, которой природа прикрыла нас от космоса. Учёные подсчитали, что для того, чтобы пролететь через земную атмосферу, частицы космических лучей или кванты высокой энергии должны преодолеть такой же по массе слой вещества, какой они прошли по пути через Вселенную на протяжении нескольких миллиардов световых лет!
Вот почему гамма-астрономия родилась лишь после того, как детекторы гамма-лучей были подняты сначала на баллонах и ракетах, а потом на космических аппаратах.
Но всё-таки существует и наземный метод обнаружения космических гамма-квантов: можно регистрировать слабый поток световых фотонов, который создают в атмосфере быстрые электроны, возникающие при взаимодействии энергичных гамма-квантов с атомами воздушной среды. Такой метод позволяет улавливать гамма-кванты особенно высоких энергий — до 10^12 ЭВ.

КВАНТЫ-ОДИНОЧКИ

Отдельные гамма-кванты регистрируют специальные приборы. Один из них — сцинтитишционнъш счётчик. Это кристалл из особого вещества (например, йодистого натрия); проходя через него, гамма-квант даёт вспышку света, которая фиксируется фотоумножителем. Таким способом обнаруживают гамма-кванты с энергией до нескольких мегаэлектронвольт.
Более энергичные гамма-кванты улавливают с помощью так называемых трековых детекторов. Эти устройства регистрируют траектории движения быстрых заряженных частиц, например электронов, образующихся при взаимодействии гамма-кванта с веществом детектора. Камеры детектора заполнены газом; пролетая через них, частицы оставляют за собой след из ионизованных атомов, по которому их и обнаруживают.
Существуют и другие способы регистрации гамма-квантов, но все они не универсальны: каждый рассчитан на определённый диапазон энергии частиц.

ГАММА-ФОН И ГАММА-ПУЛЬСАРЫ

Источником гамма-излучения служат частицы сверхвысокой энергии — будь то частицы очень горячего газа с температурой миллиарды градусов или заряженные частицы, разогнанные до невероятно больших скоростей в природных ускорителях.
Когда приборы для регистрации гамма-лучей были вынесены в космос, астрономы обнаружили то, что и ожидали, — фоновое гамма-излучение, «размазанное» по небу в полосе, охватывающей Млечный Путь. Это следствие уплощённой структуры нашей Галактики. Гамма-излучение рождается в межзвёздной среде, которая в основном сосредоточена в плоской составляющей нашей звёздной системы — галактическом диске. Гамма-излучение здесь возникает при столкновении энергичных протонов космических лучей с атомами межзвёздного газа. Конечно, часть фонового излучения относится к внегалактическим источникам, однако их доля невелика. Помимо «размазанного» фона чётко просматриваются яркие пятна — дискретные (отдельные) источники гамма-лучей. Обнаружено несколько десятков таких источников. Чаще всего они наблюдаются вблизи плоскости галактического экватора, и это прямо свидетельствует об их космической близости и принадлежности к нашей Галактике.
Разрешение современных гамма-телескопов невелико. Тем не менее целый ряд дискретных источников был отождествлён с известными космическими объектами. Часть из них оказалась связана с пульсарами. Это удалось установить на основании того, что периоды «миганий» пульсаров равны периодам колебаний интенсивности источников гамма-излучения. Например, гамма-источником является пульсар в Крабовидной туманности. Наряду с гамма-лучами он испускает радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. И всё с одним и тем же периодом «миганий»!
Другим объектом, излучающим гамма-импульсы, оказался пульсар в созвездии Паруса, наблюдавшийся ранее в более длинноволновом диапазоне. Это рентгеновский источник Парус X, тоже остаток сверхновой, но более старый, чем в Крабовидной туманности.
Несколько гамма-источников отождествлены с тесными двойными системами, в которых газ перетекает с массивной звезды на компактный объект (например, Геркулес Х-1, Лебедь Х-3). Рождение гамма-квантов здесь связано со сложными физическими процессами ускорения частиц в сильном магнитном поле вблизи компактного объекта.
Самый близкий к нам источник гамма-лучей — Солнце. Гамма-излучение возникает при мощных солнечных вспышках. Из самых далёких наблюдаемых гамма-источников можно отметить активные ядра галактик и квазары (например, галактика Марка-рян 421, квазары ЗС 273, ЗС 279).
Но многие гамма-источники пока не удалось отождествить ни с какими объектами. Дело в том, что определить точное положение гамма-источника на небе очень трудно. Гамма-телескопы имеют низкое угловое разрешение (несколько градусов), и только одновременное наблюдение быстро меняющего свою яркость гамма-источника двумя или несколькими удалёнными друг от друга аппаратами позволяет уточнить его координаты.
Наиболее загадочными оказались так называемые гамма-вспышки, которые в среднем примерно раз в сутки на короткое время (от нескольких секунд до десятков минут) «загораются» в различных областях неба. Они были открыты в 60-х гг. американскими спутниками, запущенными для слежения за испытанием атомного оружия, и до настоящего времени хранят тайну своей природы. Тысячи гамма-вспышек нанесены на карту неба; они усеивают её практически однородно, не концентрируясь ни к близким звёздам, ни к плоскости Галактики или её ядру, ни к известным скоплениям далёких галактик. Первые отождествления гамма-вспышек с очень слабыми оптическими объектами были получены только в 1997 г.
Существует несколько различных предположений о том, как возникают гамма-вспышки. Многие исследователи связывают их природу с такими экзотическими объектами, как тесные двойные системы из нейтронных звёзд или чёрных дыр. Обращаясь вокруг общего центра масс, они постепенно сближаются и должны рано или поздно столкнуться друг с другом из-за неизбежных потерь энергии орбитального движения на излучение гравитационных волн. Выделяемая при таком столкновении энергия фантастически велика — около 10^46 Дж. Это примерно в сто раз больше, чем Солнце может излучить за всю свою жизнь!
Такие объекты могли бы наблюдаться с расстояний в тысячи мегапарсек. Но пока это только гипотеза.
Для окончательного выяснения природы гамма-всплесков понадобятся наблюдения не только электромагнитного излучения в различных спектральных диапазонах, но также нейтринного излучения и гравитационных волн, которые должны сопровождать вспышку. И это дело уже недалёкого будущего.