Книга: Занимательная астрофизика

Астрофизика высоких энергий

Астрофизика высоких энергий

Перейдем в область еще более коротковолновых излучений и более высоких энергий. Это — рентгеновский диапазон электромагнитных волн.

Какие же физические процессы могут порождать космическое рентгеновское излучение и тем самым о каких явлениях во Вселенной оно может рассказать?

Как мы уже знаем, кванты рентгеновского излучения обладают очень большой энергией. Поэтому и физические процессы, его порождающие, должны отличаться высокой энергией. Одним из подобных процессов является излучение очень горячей разреженной плазмы. В такой плазме быстро движущиеся свободные электроны, тормозясь в электрическом поле протонов, излучают электромагнитные кванты (тормозное излучение). Расчеты показывают, что при температуре плазмы от 10 до 500 млн. кельвинов (К) генерируется рентгеновское излучение с длиной волны от 1 до 10А. Таков, например, механизм рентгеновского излучения солнечной короны — горячей разреженной внешней оболочки нашего дневного светила.

Но возможны и другие механизмы возбуждения рентгеновского излучения, не связанные с высокими температурами. Об одном из них мы уже говорили. Это синхротронное или, как его иногда называют, магнитотормозное излучение.

Наконец, в тех областях Вселенной, где имеется достаточно много быстрых электронов и квантов электромагнитного излучения, может действовать механизм, получивший название обратного комптон-эффекта. Обычный комптон-эффект наблюдается при взаимодействии рентгеновского фотона с неподвижным электроном. Фотон передает электрону часть своей энергии, электрон приходит в движение, а вместо прежнего фотона возникает новый с меньшей частотой.

Обратный же эффект возникает тогда, когда большей энергией обладает не фотон, а электрон. В результате такого взаимодействия дополнительную энергию получает уже не электрон, а фотон. Происходит рождение рентгеновских фотонов. Исследования, проводившиеся с помощью космических аппаратов, показали, что основными источниками рентгеновского космического излучения являются объекты, обладающие очень высокой температурой — порядка миллионов и десятков миллионов кельвинов.

В частности, рентгеновское космическое излучение рождается в двойных системах (парах звезд, обращающихся вокруг общего центра масс), одним из компонентов которых является нейтронная звезда. В такой системе нейтронная звезда, обладающая чрезвычайно мощным полем тяготения, становится, по образному выражению академика Я. Б. Зельдовича, своеобразным «пылесосом». Она «всасывает» вещество соседней «нормальной» звезды, разгоняя при этом ее частицы до огромных скоростей, достигающих 0,4 скорости света. Как показывают теоретические расчеты, под воздействием магнитного поля нейтронной звезды поток газа устремляется струями в те области, где расположены ее магнитные полюса. При ударе частиц о поверхность нейтронной звезды их кинетическая энергия переходит в тепловую, и в этих областях развивается высокая температура, достаточная для генерирования рентгеновского излучения.

Иногда в подобных системах наблюдаются весьма сильные «всплески» рентгеновского излучения, когда в течение нескольких секунд рентгеновская яркость источника возрастает в десятки раз (рис. 3).

По-видимому, это явление связано с ядерными реакциями, происходящими в поступающем на нейтронную звезду веществе. Это вещество, богатое водородом, растекается по поверхности нейтронной звезды, и в нем протекает медленная реакция синтеза гелия. При накоплении некоторой критической массы гелия возникают новые ядерные реакции, при которых гелий превращается в углерод, кислород и железо. Эти реакции происходят за доли секунды и сопровождаются резким повышением температуры, порождающим вспышку рентгеновского излучения.

В настоящее время подобных «вспыхивающих» нейтронных звезд — их иногда называют «барстерами» — известно уже более 30. Любопытно, что наблюдение этого явления позволило уточнить величину радиуса нейтронных звезд. Его значение оказалось в пределах от 8 до 12 км.

Рентгеновское излучение может возникать и в двойных системах, где одним из компонентов является еще более компактный объект, чем нейтронная звезда, — черная дыра. Подробнее об этих объектах речь пойдет впереди, а сейчас заметим, что в двойной системе с черной дырой перетекающее от нормальной звезды вещество может образовать вокруг черной дыры горячий плазменный диск, который будет излучать в рентгеновском диапазоне.

С тесными двойными звездами отождествлен ряд компактных рентгеновских источников как в нашей Галактике, так и в ее спутниках — Большом и Малом Магеллановых Облаках.

В рентгеновском диапазоне излучают также расширяющиеся газовые оболочки сверхновых звезд, с огромной скоростью рассеивающиеся в космическом пространства.

Когда чувствительность рентгеновских приемников, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли, была значительно увеличена и появилась возможность регистрировать картину распределения рентгеновского излучения протяженных объектов, удалось обнаружить рентгеновское излучение ряда нормальных галактик и изучить его распределение. По-видимому, рентгеновское излучение таких галактик, так же как и нашей Галактики, в основном обязано рентгеновским двойным звездам.

С помощью той же аппаратуры были обнаружены излучающие в рентгеновском диапазоне газовые короны вокруг нашей Галактики и Магеллановых Облаков. Такие короны также вносят вклад в рентгеновское излучение нормальных галактик.

Мощным рентгеновским излучением обладают квазары. Так, например, у квазара ЗС 273 рентгеновская светимость достигает 2·10³⁹ Вт. Кстати, наблюдения в рентгеновском диапазоне помогают обнаруживать эти удивительные объекты. Дело в том, Что на обычных фотографиях квазары выглядят точно так — же, как обыкновенные звезды. Однако их рентгеновское излучение по своей интенсивности намного превосходит рентгеновское излучение звезд. Поэтому на изображениях тех же участков звездного неба, полученных с помощью рентгеновских телескопов, квазары отчетливо выделяются.

Весьма интересным рентгеновским источником является разреженный межгалактический газ, заполняющий пространство между галактиками в скоплениях этих звездных систем. В рентгеновском диапазоне скопления межгалактического газа выглядят как протяженные туманности.

Как выяснилось, электроны межгалактического газа взаимодействуют с реликтовым излучением. (Реликтовое излучение — это электромагнитное излучение, возникшее на ранней стадии эволюции нашей Вселенной.) Поэтому, сопоставляя данные наблюдений в рентгеновском и радиодиапазоне, можно определить не только угловые, но и абсолютные размеры рентгеновских туманностей. А если нам известны истинные и угловые размеры какого-либо удаленного объекта, то вычисление расстояния, до него представляет собой простую тригонометрическую задачу.

Таким образом, облака межгалактического газа могут в принципе послужить своеобразными эталонами для определения расстояний до очень далеких космических объектов. Решение этой задачи имело бы огромное значение для ответа на целый ряд фундаментальных вопросов, связанных с проблемами строения и эволюции Вселенной.

Поскольку возбуждение рентгеновского космического излучения связано либо с очень высокой температурой газа, порядка десятков миллионов кельвинов, либо с воздействием нетепловых частиц, обладающих большими энергиями, рентгеновская астрономия открыла новую страницу в изучении физических процессов во Вселенной. Она позволила приступить к исследованию космического вещества, находящегося в экстремальных условиях. До появления рентгеновской астрономии такие исследования были невозможны.

Можно не сомневаться в том, что в области рентгеновской астрономии нас еще ждут интереснейшие новые открытия. Многое в поведении рентгеновских космических источников пока остается непонятным. Так, например, в 1983 г. советским искусственным спутником «Астрон», а также европейским «Экзосат» и японским «Темма» было зарегистрировано неожиданное прекращение рентгеновского сигнала от источника Геркулес Х-1. Природа этого удивительного явления пока что остается совершенно неясной.

По достигнутым результатам и количеству полученной информации рентгеновская астрономия в настоящее время может быть приравнена к оптической и радиоастрономии.

Чрезвычайно важные данные о физических процессах в космосе были получены в последние годы также благодаря развитию гамма-астрономии. Впервые с гамма-излучением физики столкнулись при исследовании явления радиоактивности. Хорошо известен классический опыт, когда источник радиоактивного излучения помещают в магнитное поле. Под воздействием этого поля радиоактивное излучение разделяется на три составляющие: альфа-, бета- и гамма-лучи (рис. 4). Альфа- и бета-лучи — это потоки заряженных частиц: ядер гелия и электронов, поэтому они отклоняются магнитным полем. Гамма-лучи своего направления не меняют. Они представляют собой, как мы уже знаем, коротковолновое высокочастотное электромагнитное излучение. Энергия гамма-квантов может в сотни тысяч и миллионы раз превосходить энергию фотонов видимого света. Для таких гамма-квантов Вселенная фактически прозрачна. Они распространяются практически прямолинейно, приходят к нам от весьма удаленных объектов и могут сообщить весьма ценные сведения о различных космических явлениях.

Проделаем мысленный эксперимент. Попробуем представить себе, как выглядит земное небо в гамма-лучах. Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо выяснить, каковы источники космического гамма-излучения. Это, прежде всего, диффузный фон гамма-излучения нашей Галактики. Светится вся полоса Млечного Пути. Особенно интенсивное излучение приходит из района галактического центра. В противоположном направлении гамма-излучение в несколько раз слабее. Кроме галактического к нам равномерно со всех сторон приходит внегалактическое гамма-излучение. На фоне этих излучений выделяется несколько десятков отдельных обособленных дискретных источников — своеобразных гамма-звезд; некоторые из них обладают переменным, пульсирующим характером. Наконец, время от времени на небе возникают очень яркие вспышки гамма-излучения.

Какие же физические процессы скрываются за всеми этими явлениями, какие события во Вселенной могут порождать гамма-фотоны? Одним из них может, служить столкновение ядерных частиц, при котором образуются так называемые нейтральные пи-мезоны (нейтральные пионы). Нейтральные пи-мезоны — недолговечные частицы — в среднем через 10^-16 с они распадаются на два гамма-фотона. Пионы рождаются также при аннигиляции электрона и позитрона и протона и антипротона.

Пионы, образующиеся в результате взаимодействия протонов и атомных ядер космических лучей с межзвездным газом, являются основным источником гамма-излучения в области энергий более 100 МэВ.

Еще один физический процесс, способный генерировать гамма-фотоны, — слияние протона с нейтроном, в результате которого образуется ядро дейтерия — тяжелого водорода.

Космическое гамма-излучение, подобно рентгеновскому, может возникать и благодаря уже знакомому нам обратному комптон-эффекту, и в результате тормозного излучения электронов. Наконец, излучение в гамма-диапазоне может генерировать и синхротронный механизм.

Все эти явления тесно связаны с различными космическими процессами, и поэтому их наблюдение и изучение может многое рассказать о физике Вселенной.