В этой главе речь пойдет о звездах, которые в отличие от Солнца не излучают энергию, воспринимаемую глазом. Излучение этих звезд лежит в области, недоступной нашим органам чувств — об этом излучении люди ничего не знали до 1895 г., когда его случайно открыл Вильгельм Конрад Рентген в Вюрцбурге.

На первый взгляд может показаться удивительным, что в космосе возникает рентгеновское излучение. Приходя в медицинский рентгеновский кабинет, мы видим, какая сложная аппаратура требуется для получения рентгеновских лучей. Как же могут они возникать в космосе? В принципе, процесс один и тот же: в медицинской установке электроны, движущиеся с большой скоростью, резко тормозятся, и при этом возникает рентгеновское излучение. Когда в природе газ нагревается до миллионов градусов, электроны движутся с огромной скоростью. Когда такой электрон приближается к атомному ядру, он тормозится или отклоняется электрическим полем ядра, и возникает такое же излучение, как и в рентгеновской трубке.

Температура короны-газовой оболочки Солнца — составляет около двух миллионов градусов. Быстрые электроны здесь в результате столкновений с атомными ядрами то и дело тормозятся и снова ускоряются. При этом возникает рентгеновское излучение: солнечная корона посылает в пространство рентгеновское излучение, которое удается фотографировать со спутников. Так что даже такая безобидная звезда как Солнце доказывает нам, что во Вселенной может возникать рентгеновское излучение. Однако на рентгеновское излучение приходится лишь малая доля энергии излучения Солнца. Рентгеновские же звезды — это точечные небесные объекты, у которых основная часть излучения приходится на рентгеновскую область спектра. Рентгеновские звезды известны всего несколько лет, но то, что за это время удалось о них узнать, делает их удивительнейшими небесными телами.

 

Спутник «Ухуру»

Приходящее из космоса рентгеновское излучение не проходит через атмосферу нашей планеты — оно поглощается уже в самых верхних слоях воздуха. Поэтому рентгеновская астрономия возникла лишь тогда, когда удалось поднять телескопы с дистанционным управлением в верхние слои атмосферы с помощью аэростатов и ракет. Первые попытки были связаны с исследованиями рентгеновского излучения Солнца, с измерением рентгеновского излучения короны, но вскоре ученые стали охотиться и за рентгеновским излучением, приходящим по другим направлениям. Так началась новая глава в современной астрофизике.

Часто бывает трудно восстановить подлинную историю того, как был сделан тот или иной крупный шаг в современной науке. Время великих одиночек прошло, в особенности в экспериментальных науках. Ученый работает в группе, ездит по конференциям, получает информацию от других, перерабатывает ее в соответствии с собственными представлениями и приводит все в согласие с идеями своих соавторов. Когда же сообщение появляется в печати, речь идет только о результате, и читатель редко узнает, какой путь привел к этому результату.

История открытия рентгеновских звезд, если рассказывать ее во всех деталях, потребовала бы отдельной книги. Об этом, кстати, писал в своей докторской диссертации Ричард Хирш в Университете шт. Висконсин в США. Здесь я расскажу лишь о некоторых событиях, приведших к появлению рентгеновской астрономии, назову только некоторые имена из многочисленной армии физиков, астрономов и инженеров. Должен я упомянуть и одну фирму.

Почти во всех аэропортах мира ручную кладь пассажиров досматривают с помощью сложных установок, просвечивая ее мягким рентгеновским излучением. В Северной Америке используются в основном установки, которые выпускает фирма American Science and Engineering (сокращенно AS&E — американская наука и техника). Эту фирму основал в 1958 г. Мартин Аннис. Фирма состояла главным образом из ученых и работала в первые годы над ядерными проблемами в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, одним из крупнейших технических учебных заведений в США. Именно фирме AS&E мы обязаны появлением первых рентгеновских спутников. Ключевое, по всей видимости, событие произошло в сентябре 1959 г., когда молодой итальянский стипендиат в США встретил своего знаменитого соотечественника.

Рикардо Джиаккони приехал по стипендии Фулбрайта в США в 1956 г. Он был физиком, специалистом в области космического излучения. В 1954 г. он защитился по этой теме в Милане и в США работал над аналогичными проблемами в Университете шт. Индиана в Блумингтоне, а затем в Принстоне. Под впечатлением от высокого уровня науки в США, от тех безграничных возможностей, которые открыло использование спутников для космических исследований, он решил остаться в США. Кто-то из коллег рассказал ему о фирме AS&E, и он встретился с Мартином Аннисом, в то время президентом этой исследовательской фирмы, насчитывавшей уже 27 сотрудников. В сентябре 1959 г. Джиаккони был принят в AS&E. Вскоре Аннис представил его Бруно Росси. Физик Росси работал в Массачусетском технологическом институте; он переехал в США еще до второй мировой войны, сотрудничал со знаменитым Энрико Ферми, который построил в Чикаго первый ядерный реактор, а в то время, в дополнение к своей работе в Институте, возглавлял группу консультантов в фирме AS&E. Джиаккони позднее писал о своей первой встрече со знаменитым Росси: «В коротком разговоре у него дома Бруно Росси подчеркнул, что наряду с другими космическими исследованиями он считает особенно многообещающим изучение рентгеновского космического излучения. Хотя об этом ничего не было известно, он полагал, что поиски в этой совершенно новой области могут оказаться успешными. Я тут же отправился на работу, чтобы выяснить, что уже сделано в этом направлении». Сделано было немного. Герберт Фридман изучал рентгеновское излучение Солнца; никаких других космических рентгеновских источников найдено не было.

Джиаккони начал размышлять над возможными конструкциями рентгеновских приемников и вместе с другими думал над тем, какие методы можно применить для измерения космического рентгеновского излучения. В 1960 году в NASA дали зеленый свет на постройку первого рентгеновского телескопа. Джиаккони уже имел тогда свою небольшую группу, которая работала в AS&E в области космических исследований. В 1961 году в группе было уже 70 сотрудников; в 1962 году на 19 ракетах и 7 спутниках была установлена экспериментальная аппаратура группы, причем среди приборов был и приемник рентгеновского излучения. В конце концов было обнаружено рентгеновское излучение, приходящее из космоса и не из окрестности Солнца, а из глубин Млечного Пути, а возможно, и из более далеких областей. В июле 1962 года был открыт первый точечный источник в созвездии Скорпиона: первая рентгеновская звезда! Джиаккони писал: «Руководствуясь нашими результатами, Фридман и ученые из Военно-морской исследовательской лаборатории смогли в апреле 1963 года подтвердить наше открытие. В сентябре 1963 года я предложил NASA план дальнейшей работы. Я изложил свою концепцию нового медленно вращающегося спутника для рентгеновских наблюдений и 1,2-метрового телескопа. Уже тогда утвердилось прямое направление моих исследований. В том, что все это оказалось столь захватывающим и интересным, заслуга Природы».

12 декабря 1970 года спутник, построенный группой Джиаккони, был запущен NASA с побережья Кении. Это был День независимости государства, ставшего суверенным в 1963 году, и спутник назвали «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». На рис. 10.1 изображен спутник «Ухуру» в космосе, как его представил себе художник из NASA. За время своего существования спутник обнаружил свыше ста точечных рентгеновских источников. Эти результаты принесли Риккардо Джиаккони всеобщее признание в научных кругах и поставили много загадок перед астрофизиками Востока и Запада. Мы еще далеки от того, чтобы понять объекты, открытые спутником «Ухуру». Однако в последние годы о них многое удалось узнать.

Рис. 10.1. Рентгеновский спутник «Ухуру» в космосе (рисунок). Четыре солнечные панели вырабатывают электричество для питания аппаратуры. Спутник совершает один оборот вокруг своей оси за десять минут, и рентгеновский приемник просматривает небо «полосами». Результаты передаются по каналам связи на Землю.

Первый вопрос, который интересует астрономов в связи со вновь открытыми объектами, это далеко или близко они находятся. В большинстве случаев определить расстояние до небесного тела чрезвычайно трудно, но нередко достаточно сделать хотя бы приблизительные оценки. Можно было бы узнать, например, принадлежат ли эти объекты к нашему Млечному Пути или нет. Мы уже видели, как это делается, на примере пульсаров. Для этого нужно выяснить, распределены ли эти объекты на небе таким же образом, как и звезды нашей Галактики. Результаты подобной проверки иллюстрирует рис. 10.2. Здесь объекты, обнаруженные спутником «Ухуру», нанесены на градусную сетку, горизонтальная ось которой соответствует плоскости симметрии Млечного Пути. С первого взгляда ясно, что большинство рентгеновских источников располагается вблизи Млечного Пути. Там, где много звезд, оказывается много и рентгеновских источников. Если же смотреть в сторону от Млечного Пути, то рентгеновских источников немного, и они оказываются прежде всего там, где находятся удаленные галактики.

Рис. 10.2. Распределение на небе рентгеновских источников, открытых спутником «Ухуру». Как и на рис. 8.4 , координатная сетка выбрана так, что вся небесная сфера спроецирована на плоский овал. Млечный Путь тянется вдоль горизонтальной оси; центр Галактики находится в центре координатной сетки. Большая часть рентгеновских источников оказывается вблизи Млечного Пути; к центру их плотность увеличивается. Отмечены некоторые источники, упоминаемые в тексте.

В дальнейшем я ограничусь источниками, находящимися в нашей Галактике. Мы примерно знаем, как далеко они находятся от нас: в среднем на таком же расстоянии, как и большинство звезд Млечного Пути, т. е. порядка тысяч световых лет. По энергии доходящего до нас излучения можно оценить действительную мощность этих источников. Оказывается, они излучают в рентгеновском диапазоне примерно в тысячу раз сильнее, чем наше Солнце на всех длинах волн.

 

Рентгеновская звезда в созвездии Геркулеса

Рассмотрим вначале источник, открытый спутником «Ухуру», в созвездии Геркулеса, которому присвоили название Геркулес Х-1. Излучение, принятое спутником от этого источника, представляет собой импульсы, следующие один за другим через 1,24 секунды (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Рентгеновские вспышки источника в созвездии Геркулеса, открытого спутником «Ухуру».

Интервал между соседними импульсами, однако, не строго постоянен. Он то уменьшается, то увеличивается, и период этого изменения составляет 1,70017 суток (рис. 10.4). Это может служить указанием, что рентгеновский источник движется то по направлению к нам, то от нас, как если бы он обращался вокруг другого небесного тела. Представим себе, что рентгеновский источник обращается вокруг центральной звезды с периодом около суток по круговой орбите и при этом каждую секунду испускает рентгеновский импульс. На рис. 10.5 показано, почему для наблюдателя импульсы будут приходить то чаще, то реже, в точности как это происходит с источником Геркулес Х-1. Итак, мы можем заключить, что источник обращается вокруг другой звезды с периодом 1,70017 суток.

Рис. 10.4. Схематическое изображение, показывающее изменение частоты импульсов источника Геркулес Х-1 с периодом 1,7 суток. Это изменение позволяет заключить, что источник является компонентой двойной системы.

Рис. 10.5. Вокруг звезды (красный кружок) по круговой орбите движется рентгеновский источник, посылающий импульсы каждую секунду. Удаленный наблюдатель В измеряет интервал между приходящими к нему импульсами. Вверху: путь, проходимый каждым из двух импульсов а и а', одинаков. Измеренный наблюдателем интервал равен одной секунде. В середине: пути, проходимые импульсами b и b', различны: вторая вспышка b' проходит больший путь. К наблюдателю импульсы приходят с интервалом больше одной секунды. Внизу: путь, проходимый второй вспышкой с', короче. К наблюдателю вспышки приходят с интервалом меньше одной секунды.

Читатель уже знает, куда мы клоним. Если одна звезда обращается на близком расстоянии вокруг другой, то они могут, если смотреть с Земли, затмевать друг друга мы будем иметь дело с такой же затменно-переменной, как Алголь или Дзета Возничего. Если наш рентгеновский источник обращается вокруг звезды, то может случиться, что в течение каждого периода, 1,70017 суток, он прячется за звездой, и тогда рентгеновское излучение должно пропадать.

Именно это и происходит с источником Геркулес Х-1! На рис. 10.6 представлены результаты, полученные спутником «Ухуру» за январь 1972 г.: каждые 1,70017 суток сигнал примерно на пять часов пропадает — источник в это время закрыт другой звездой!

Рис. 10.6. Поведение источника Геркулес Х-1 за достаточно долгое время. Точки показывают интенсивность рентгеновских импульсов, измеренную спутником «Ухуру». Вертикальные двойные линии отмечают период, равный 1,70017 суток. Видны пятичасовые интервалы, в течение которых вспышки исчезают, так как источник заходит за небесное тело, вокруг которого он обращается. Импульсы впервые регистрировались 9 января, а после 21 января исчезли. Это связано с 35-суточным циклом источника Геркулес Х-1, о котором идет речь в тексте.

Но дело обстоит еще сложнее! Рентгеновский источник излучает не все время. В течение примерно двенадцати суток он «включен» и посылает свои импульсы с интервалом 1,24 секунды с пятичасовым перерывом во время затмения. Затем он замолкает на 23 дня, а потом все начинается сначала.

 

Источник Геркулес Х-1 обнаружен

Что же находится в созвездии Геркулеса в том месте, откуда исходят рентгеновские импульсы? Спутник «Ухуру» мог определить положение источника лишь приблизительно. Как видно на рис. 10.7, в «область ошибки» попадало много звезд. Нет ли среди них такой, которая чем-либо выделяется среди остальных? Американский астроном Уильям Лиллер первым указал в этой области звезду, которая с 1936 г. значится в каталогах как переменная.

Рис. 10.7. Участок звездного неба, где был открыт источник Геркулес Х-1. Неприметная переменная звезда Хоффмейстера отмечена стрелкой.

И снова мы встречаемся с тем молодым лавочником, которому Гартвиг во время первой мировой войны позволил работать в Бамбергской обсерватории. В 1936 г. Гуно Хоффмейстер определил по снимкам звездного неба, что одна из звезд в области созвездия Геркулеса является переменной. Хоффмейстер давно уже защитил диссертацию, имел собственную обсерваторию, построенную частично на его личные средства, и вел систематический поиск переменных звезд. За свою жизнь он открыл их многие тысячи. Звезда в созвездии Геркулеса не представляла собой ничего особенного. Хоффмейстер не смог установить, подчиняется ли изменение яркости звезды простой закономерности, является ли оно периодическим. Когда он позднее следил за звездой еще несколько ночей, ему показалось, что изменения яркости вообще прекратились. В каталоги эта звезда вошла как HZ Геркулеса 1936, и никто не уделял ей особого внимания. Теперь же, когда эта звезда оказалась в окрестности вновь открытого рентгеновского источника, интерес к ней пробудился. Поскольку период обращения рентгеновского источника составлял 1,70017 суток, возникал вопрос, не изменяется ли яркость звезды Хоффмейстера с таким же периодом. Летом 1972 г. Джон и Нета Бакалл, проводя измерения в Тель-Авивской обсерватории, обнаружили, что период изменения яркости звезды Хоффмейстера имеет в точности такую величину.

Таким образом, видимая звезда и рентгеновский источник оказались как-то связанными между собой. Блеск звезды ослабевал, когда рентгеновские импульсы исчезали, т. е. когда источник находился позади звезды. Он усиливался, когда источник, если смотреть от нас, находился перед звездой (рис. 10.8). Причина такого изменения яркости понятна. Когда рентгеновский источник находится перед звездой, обращенная к нам сторона звезды нагревается из-за интенсивного рентгеновского облучения и становится более яркой. Когда же источник находится позади звезды, он нагревает невидимую для нас ее сторону. Если не считать этого эффекта, звезда является нормальной звездой главной последовательности с массой, равной двум солнечным.

Рис. 10.8. Блеск переменной звезды Хоффмейстера HZ Геркулеса периодически усиливался и ослаблялся (красная кривая). На схемах показаны взаимные положения звезды (серый кружок) и рентгеновского источника (черная точка), соответствующие максимуму и минимуму блеска. Когда для нас источник находится перед звездой, обращенная к нам ее сторона нагревается источником и становится ярче. Когда источник заходит за звезду, мы видим ее «нормальную», не разогретую источником сторону, и блеск ослабевает.

Почему же такой опытный наблюдатель как Хоффмейстер позднее счел звезду не переменной? На хранящихся в архивах старых снимках звездного неба можно увидеть, что изменение блеска звезды иногда прекращалось на целые годы. Что же, рентгеновский источник перестает нагревать ее? Может быть, в это время рентгеновский источник выключается? С того времени, как спутник «Ухуру» открыл рентгеновский источник, видимая HZ Геркулеса все время изменяет свой блеск в соответствии с периодом обращения. Но настанет, возможно, время, когда блеск ее снова на несколько лет станет постоянным. Тогда мы увидим, как будет вести себя рентгеновский источник.

 

Рентгеновские звезды малы

Совершенно иначе ведет себя источник Лебедь Х-1 в созвездии Лебедя. Он посылает не периодические импульсы, а резко и непредсказуемо изменяет свою интенсивность.

Кроме того, интенсивность изменяется на протяжении месяцев. В том же участке неба находится переменный радиоисточник. Изменения его интенсивности в точности следуют изменениям рентгеновского источника: когда интенсивность рентгеновского источника меняется, меняется и интенсивность радиоизлучения; когда радиоисточник молчит, молчит и рентгеновский источник. Поэтому речь идет, скорее всего, об одном и том же объекте. В последние годы радиоастрономы разработали методы очень точного определения координат радиоисточников. Соответственно и положение рентгеновского источника известно настолько точно, что его удалось отождествить с видимой звездой. Эта звезда также входит в двойную систему. Конечно, увидеть каждую из двух звезд по отдельности невозможно — видна только одна звезда, но по доплеровскому смещению спектра (см. ) можно узнать, что звезда обращается вокруг центра масс системы с периодом 5,6 суток, как и ее спутник, которым, по всей вероятности, является рентгеновская звезда!

Некоторые рентгеновские источники появляются на короткое время и потом исчезают. Источник Центавр Х-4 излучал очень недолго: он давал импульсы с интервалом 6,7 минуты и через несколько дней исчез.

Как же укладываются рентгеновские источники в наши представления о процессах, происходящих во Вселенной? Скорее всего, это звездоподобные объекты. Но как звезда может испускать рентгеновское излучение? На поверхности самых горячих из известных нам звезд температура слишком низка для возникновения рентгеновского излучения. Излучение же разреженной горячей короны, окружающей некоторые звезды, как и у солнечной короны, является очень слабым.

Рентгеновские импульсы очень коротки. У источника Геркулес Х-1 максимум достигается меньше чем за четверть секунды. Нерегулярные изменения интенсивности источника Лебедь Х-1 происходят за сотые доли секунды.

Как уже говорилось в отношении пульсаров, из скорости изменения интенсивности можно сделать вывод о размерах излучающего объекта. Это справедливо и для видимого света, и для радиоизлучения, и равным образом для рентгеновского излучения источников, открытых спутником «Ухуру».

Например, для источника Лебедь Х-1, у которого изменения интенсивности происходят за сотую долю секунды, рентгеновское излучение должно исходить из области, размеры которой не превышают отрезка, проходимого светом за 1/100 секунды. А это меньше 10 000 километров, меньше сотой доли солнечного радиуса. Речь идет, таким образом, об очень малых объектах, которые тем не менее излучают в тысячу раз больше энергии, чем Солнце. Об их малых размерах говорит и резкий характер затмений источника Геркулес Х-1: заходя за звезду, источник сразу пропадает.

Коль скоро рентгеновские источники так малы, можно предположить, что здесь как-то замешаны белые карлики или нейтронные звезды. Это предположение позволяет к тому же объяснить появление рентгеновского излучения. В начале главы мы уже говорили, что для возникновения рентгеновского излучения нужна температура в миллионы градусов. А когда вещество падает на белый карлик или тем более на нейтронную звезду, то оно из-за огромного ускорения силы тяжести попадает на поверхность звезды с такой скоростью, что при его торможении легко может развиваться температура в несколько миллионов градусов. Этим вполне естественно объясняется происхождение рентгеновского излучения. Но откуда берется вещество, которое с огромной скоростью «проливается» на поверхность белого карлика или нейтронной звезды? Связано ли это с тем, что большинство рентгеновских звезд, а возможно и все, входят в состав двойных систем? Если нормальная звезда и белый карлик (нейтронная звезда) образуют двойную систему и нормальная звезда, подобно Солнцу и многим другим звездам, выбрасывает в пространство вещество, то часть этого вещества будет захвачена гравитационным полем спутника. Захваченное вещество будет падать на поверхность спутника и при этом нагреваться до такой степени, что возникнет рентгеновское излучение (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Возникновение рентгеновского излучения в двойной системе. От звезды (красный круг), идет звездный ветер, направление которого показано черными стрелками. Обращающаяся вокруг главной звезды нейтронная звезда (или белый карлик) захватывает часть вещества, и под действием гравитации оно с большой скоростью падает на ее поверхность. При ударе вещество нагревается до такой степени, что начинает испускать рентгеновские лучи.

 

История рентгеновского источника

Теперь мы можем составить примерную картину рентгеновского источника. Его история могла бы выглядеть следующим образом: две звезды различной массы долгое время обращаются одна относительно другой (рис. 10.10). Более массивная звезда первой израсходует свой водород и готова превратиться в красный гигант. Однако она сбрасывает вещество в пространство или отдает его своему спутнику (а) и превращается в белый карлик (б). Возникает звездная пара, состоящая из звезды главной последовательности и белого карлика. Когда же и звезда главной последовательности израсходует свой водород и раздуется в красный гигант, может случиться, что она заполнит свою полость Роша, и ее компактный спутник начнет отбирать ее массу. Вещество начнет падать на компактный объект и возникнет рентгеновское излучение. Для этого достаточно, чтобы за год на белый карлик «выпадала» одна стомиллионная доля солнечной массы. Можно представить себе и такой случай, когда с поверхности нормальной звезды исходит звездный ветер, который, сталкиваясь с белым карликом, рождает рентгеновское излучение (в).

Рис. 10.10 Два возможных пути эволюции двойной системы, приводящие к образованию рентгеновского источника. Слева: тесная двойная система образована двумя звездами главной последовательности с различной массой. Более массивная первой проявляет признаки истощения запасов водорода. Она могла бы превратиться в красный гигант, но звезда-спутник отбирает у нее такое количество вещества (а), что у нее остается лишь ядро-белый карлик (б) (ср. с рис. 9.6 ). Теперь, когда от ставшей более массивной правой звезды в ходе эволюции исходит звездный ветер, поток газа, падающий на белый карлик, создает рентгеновское излучение (красные волнистые стрелки) (в) (ср. с рис. 10.9 ). Справа: двойная система образована звездами различной массы. Более массивная стареет раньше и происходит взрыв сверхновой (г). Оболочка более массивной компоненты разлетается, а на ее месте остается нейтронная звезда (д); звезда, бывшая менее массивной компонентой, становится главной звездой двойной системы. В результате эволюции от главной звезды исходит звездный ветер, часть вещества падает на нейтронную звезду, и создается рентгеновское излучение (е); (ср. с рис. 10.9 ).

Это напоминает нам историю спутников Миры, о которой здесь уже говорилось. Белый карлик, который обращается вокруг Миры, собирает на себя вещество. Почему же он не является рентгеновским источником? Возможно, он слишком удален от звезды, и на него попадает лишь малая доля уходящего со звезды вещества-достаточно, чтобы излучать в видимой области, но слишком мало, чтобы мы наблюдали его как рентгеновский источник.

Но может случиться и так, что белые карлики вообще не связаны с рентгеновскими источниками. Другими словами, можно представить себе, что в двойной системе произошел взрыв сверхновой ( и образовалась нейтронная звезда, как в Крабовидной туманности. Она обращается вокруг второй звезды, которая устояла во время взрыва своей спутницы. Если эта звезда отдает вещество нейтронной звезде-либо в виде звездного ветра, либо из-за того, что она заполнила свою полость Роша, — то газ падает на поверхность нейтронной звезды с еще большей энергией, чем в случае белого карлика; рентгеновское излучение при этом еще интенсивнее (ё).

Так кто же ответствен за излучение рентгеновских звезд: белые карлики или нейтронные звезды? Скоро мы познакомимся с причинами, по которым астрофизики сегодня все больше склоняются в пользу нейтронных звезд. Здесь мы вновь сталкиваемся с проблемой переноса вещества от одной звезды к другой. Предполагается, что вещество не сразу падает на звезду, а подобно тому, как показано на , образует вращающийся диск, попадая на поверхность звезды (будь то нейтронная звезда или белый карлик) по спиральной траектории. Физические процессы, происходящие в этом диске аккреции, изучались многими учеными. Важный вклад в их понимание был сделан в Москве Я. Б. Зельдовичем (1914–1987) и его учениками.

 

Как возникают импульсы?

Итак, у нас есть правдоподобное объяснение того, как возникает рентгеновское излучение. Но мы еще не выяснили, почему оно пульсирует.

В случае пульсаров мы считаем, что пульсации обусловлены вращением нейтронной звезды. Подобно большинству небесных тел, наши компактные объекты обладают, скорее всего, магнитным полем, и, как и у Земли, магнитная ось может не совпадать с осью вращения. Движение космического вещества поперек силовых линий затруднено, поэтому на компактный объект вещество будет падать преимущественно в области его магнитных полюсов (рис. 10.11). Рентгеновское же излучение возникает там, куда падает вещество, т. е. вблизи полюсов. А распространяться оно будет в стороны, поскольку в направлении магнитной оси его поглощает падающее вещество. Если компактный объект вращается, то для удаленного наблюдателя рентгеновское излучение будет пропадать всякий раз, когда к нему обращен тот или другой магнитный полюс. В остальное время рентгеновское излучение появляется вновь (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Происхождение рентгеновских вспышек. Когда вещество падает на компактный объект, возникает рентгеновское излучение (вверху). Если звезда обладает магнитным полем, подобным по конфигурации земному, то вещество падает на звезду (черный кружок) в основном в области полюсов. Потоки падающего на полюса вещества образуют непроницаемые для рентгеновского излучения «пробки», и излучение уходит от звезды лишь вбок от полюсов (красные волнистые стрелки). Если весь объект вращается, то может оказаться, что удаленный наблюдатель за каждый оборот объекта принимает два коротких импульса рентгеновского излучения (вторая и четвертая фазы в нижней части рисунка). Для простоты ось вращения показана перпендикулярной к магнитной оси.

 

Изменение магнитного поля нейтронной звезды

Еще говоря о пульсарах, мы пришли к выводу, что за их радиоимпульсы ответственно магнитное поле. Теперь же нам приходится привлечь магнитное поле для объяснения рентгеновских звезд. Откуда же появляется у нейтронной звезды магнитное поле?

Магнитные поля во Вселенной встречаются почти повсеместно. Солнце в целом обладает магнитным полем, подобным земному, но вдвое более сильным. В области солнечных пятен магнитные поля в тысячу раз сильнее земного. У других звезд также можно обнаружить магнитные поля. Мы можем с полной уверенностью утверждать, что многие звезды обладают магнитным полем.

Магнитные поля и космическое вещество взаимосвязаны. Когда тело уплотняется, усиливается и его магнитное поле. И когда из части звезды образуется белый карлик, из-за высокого сжатия изначально слабое магнитное поле усиливается в десятки тысяч раз. Так можно объяснить мощные магнитные поля белых карликов. Но когда звездное вещество достигает плотности нейтронной звезды, магнитное поле может стать в сто миллиардов раз сильнее — настолько велико здесь сжатие. Вот почему у нейтронных звезд следует ожидать наличия чрезвычайно сильных магнитных полей. И такие поля были обнаружены!

2 мая 1976 года над городом Палестайн в США поднялся аэростат с научными измерительными приборами, разработанными учеными из Института космической физики имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена и из Тюбингенского университета.

Группа, руководимая Иоахимом Трюмпером, имела уже некоторый опыт в рентгеновских исследованиях, и среди прочих задач в программу входила проверка нового рентгеновского детектора. Новый приемник работал в области более высоких энергий рентгеновского излучения, чем детекторы, установленные на спутнике «Ухуру». Как и в случае света, у рентгеновского излучения энергия кванта тем выше, чем короче длина волны; энергию рентгеновских фотонов измеряют обычно в килоэлектронвольтах (кэВ). Рентгеновские приемники на спутнике «Ухуру» работали в области от 2 до 10 кэВ, а новый приемник был предназначен для регистрации квантов с энергией выше 30 кэВ. Во время запуска весной 1976 г. наблюдался источник Геркулес Х-1 и измерялась интенсивность высокоэнергетического излучения.

Чем совершеннее экспериментальная техника, тем слабее непосредственный контакт наблюдателя с получаемыми им экспериментальными данными. В 1936 г. Хоффмейстер мог просто посмотреть в телескоп, оценить яркость HZ Геркулеса и, сравнив ее со своими прежними наблюдениями, определить, увеличилась ли яркость звезды по сравнению с предыдущим наблюдением. Сегодня результаты измерений записываются компьютером на магнитную ленту; затем необходимо составить программу, в соответствии с которой компьютер будет считывать результаты с ленты и производить расчеты.

Неудивительно поэтому, что результаты майских наблюдений были получены лишь осенью. Выяснилось, что интенсивность излучения, в целом ослабевающая с увеличением энергии рентгеновских квантов, имеет заметный пик примерно на 58 кэВ (рис. 10.12). Вероятно, ему не придали бы особого значения, не вспомни Трюмпер о своих более ранних работах, в которых он пытался объяснить излучение пульсара в Крабовидной туманности. Поэтому он заинтересовался этим пиком.

Рис. 10.12. Рентгеновское излучение источника Геркулес Х-1 в области высоких энергий. Можно было бы ожидать, что с увеличением энергии рентгеновских квантов интенсивность источника падает. Однако при 58 кэВ наблюдается локальный пик интенсивности (отмеченный стрелкой). Измерение интенсивности при столь больших энергиях квантов сопряжено с большими трудностями, поэтому истинное распределение интенсивности может отличаться от показанного на рисунке.

Пик на кривой интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 означает, что источник излучает относительно много рентгеновских фотонов с энергией 58 кэВ. Мы знаем, что атомы излучают и поглощают энергию на строго определенных длинах волн, т. е. излучают и поглощают фотоны со строго определенной энергией. Возьмем, например, атом водорода. Вокруг положительно заряженного ядра обращается один электрон (рис. 10.13). Согласно квантовой теории, этот электрон может занимать строго определенные, поддающиеся точному расчету орбиты (уровни). Когда на атом попадает свет, он поглощается лишь в том случае, когда квант света имеет точно такую энергию, какая необходима для перехода электрона с нижнего уровня на один из более высоких. Если после этого оставить атом в покое, то электрон через какое-то время вернется на низший уровень. При этом избыточная энергия будет освобождена в виде световых фотонов, которые обладают вполне определенными энергиями, соответствующими переходу электрона с одного уровня на другой.

Рис. 10.13. Вверху: излучение (красная волнистая стрелка) возникает в атоме, когда электрон (серый кружок) переходит с внешней орбиты на более близкую к ядру атома (красный кружок). Излучение имеет вполне определенную для данного атома и данного перехода энергию. Внизу: в сильном магнитном поле (вертикальные стрелки) электроны могут вращаться по круговым орбитам, подобным орбитам в атоме. Здесь при переходе с внешней орбиты на внутреннюю также будет излучаться энергия, зависящая от напряженности магнитного поля. Считают, что показанный на рис. 10.12 пик интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 связан именно с таким переходом электронов в магнитном поле нейтронной звезды.

У источника Геркулес Х-1 заметная часть излучения приходится на вполне определенную энергию 58 кэВ. Однако ни один из нормально встречающихся в природе атомов не излучает фотонов с такой энергией. Трюмпер попытался объяснить это излучение механизмом, который впервые предложил советский физик Лев Ландау (диамагнетизм Ландау).

Оъяснение основано на том, что в магнитном поле траектория электрона искривляется настолько, что электрон начинает двигаться по круговой орбите. Если магнитное поле очень сильное, то радиус орбиты мал; в сверхсильных магнитных полях круговые траектории электронов могут стать сравнимыми с атомными орбитами. Но в этом случае в силу вступают законы квантовой механики, согласно которым «разрешены» лишь строго определенные орбиты. Когда электрон переходит с внешней орбиты на внутреннюю, он испускает квант излучения, энергия которого определяется напряженностью магнитного поля. Поэтому, считали Трюмпер и его коллеги, и появляется пик на кривой излучения источника Геркулес Х-1. Но если это так, то магнитное поле должно быть более чем в сто миллиардов раз сильнее земного! Силы, возникающие в таком поле, настолько велики, что гравитация не смогла бы удержать белый карлик в равновесии: магнитные поля разорвали бы звезду. Поэтому следует заключить, что Геркулес Х-1 является нейтронной звездой.

Итак, в двойной системе, к которой принадлежит Геркулес Х-1, за рентгеновское излучение ответственна нейтронная звезда. Когда-то в этой системе произошел взрыв сверхновой, и первоначально более массивная компонента оставила после себя нейтронную звезду. Но это было очень давно: образовавшееся при взрыве облако давно рассеялось. Сегодня вещество со звезды, которая была менее массивной компонентой и пока еще находится близко к главной последовательности, падает на нейтронную звезду. Когда оно, направляемое магнитными полями, падает в области магнитных полюсов, возникает рентгеновское излучение. При этом излучение, создаваемое при переходе с одной орбиты на другую теми электронами, которые в магнитном поле закружились по крошечным круговым траекториям, имеет пик на 58 кэВ.

После «Ухуру» были запущены другие рентгеновские спутники, проводилось множество экспериментов на аэростатах. Одна из сложностей в рентгеновской астрономии состоит в том, что до сих пор не удалось создать рентгеновскую фотографическую камеру. Рентгеновские лучи невозможно фокусировать с помощью линз. Зеркала тоже не отражают рентгеновские лучи под большими углами: для использования зеркала нужно, чтобы рентгеновские лучи приходили под очень малым углом к поверхности зеркала. Пользуясь этим свойством, физик Ганс Вольтер (1911–1978), работавший тогда в Киле, придумал в 1952 году способ рентгеновской фотографии. С ноября 1978 года на орбите работает запущенная NASA Эйнштейновская обсерватория; на ней установлен рентгеновский телескоп диаметром 57 см. Предполагают, что имеется до миллиона рентгеновских источников, которые могут быть зарегистрированы этим прибором. Первый немецкий «телескоп Вольтера» диаметром 32 см был успешно запущен на ракете в феврале 1979 года. В ФРГ запланировано изготовление 80-сантиметрового рентгеновского телескопа.

 

Рентгеновские ливни

В последние годы обнаружен еще один тип рентгеновских источников, которые чаще всего, по-видимому, встречаются в шаровых скоплениях. Эти источники посылают рентгеновские импульсы в виде «ливней», каждый из которых, продолжаясь порой всего несколько секунд, обладает такой же энергией, какую наше Солнце излучает за целую неделю. Эти ливни не обнаруживают регулярности источника Геркулес Х-1; вращающееся тело, задающее ритм импульсов, здесь, по-видимому, отсутствует (рис. 10.14). Тем не менее в приходе импульсов наблюдается некая закономерность. Из шарового скопления в созвездии Скорпиона мы принимаем в рентгеновских ливнях импульсы с периодичностью около 40 секунд, которая, однако, выдерживается не слишком строго: после сильного импульса «молчание» длится дольше, чем после слабого. Вероятно, и у этих источников вещество падает на компактный объект, однако механизм, благодаря которому высвобождение энергии происходит не постоянно, а в виде ливней, отличается от механизма, обеспечивающего пульсацию источника Геркулес Х-1.

Рис. 10. 14. Сигналы источника МХВ 1730-335 исходят из шарового скопления, на которое обратили внимание после открытия здесь рентгеновского источника. Импульсы идут сериями по 10–20 отдельных вспышек. Интенсивность вспышек неодинаковая. После особенно сильных выбросов источнику требуется передышка, прежде чем он начнет новую серию импульсов.

Шаровые скопления являются старыми, как мы уже знаем из гл. 2. В них давно уже не рождаются звезды. Было очень заманчиво считать эти скопления безжизненными образованиями. Однако рентгеновские ливни, которые исходят из них, показывают, что в них еще продолжается жизнь.

Во Вселенной может существовать множество нейтронных звезд, о которых мы ничего не знаем. Вероятно, все они являются останками сверхновых, но не исключено, что в природе существуют и иные, неизвестные еще нам пути их возникновения. Нам и не удалось бы ничего узнать о них, если бы на них не падало вещество с их звездных спутников. Только тогда они проявляют себя, посылая к нам рентгеновское излучение.

В 1960 году во время одной из лекций я попросил своих слушателей представить, что существует прибор, который преобразует все приходящее из Вселенной к нам излучение в слышимый звук. Наряду с ровным шумом звезд и треском солнечных помех мы бы услышали шум известных тогда радиосточников, нарастающий и затихающий сообразно с восходом и заходом этих источников на горизонте при вращении Земли. Тогда мы знали лишь о довольно длинноволновом космическом излучении. Сегодня, двадцать лет спустя, мне приходится внести поправки в эту картину. Кроме известных тогда источников, во «вселенский хор» вольются и новые голоса: на фоне ровного шума мы услышим тиканье пульсаров, низкое гудение пульсара в Крабовидной туманности, импульсы которого наше ухо не могло бы уже разделить, пулеметные очереди рентгеновских источников — например, источника МХВ 1730-335, который из шарового скопления посылает к нам мощные импульсы, причем после десятка импульсов с интервалом 10–20 секунд следует перерыв на несколько минут, а потом вновь идет серия импульсов. «Шум Вселенной» — это не только ровное шипение: это и щелчки, и барабанная дробь, и жужжание, и треск. И виновницами всего этого трезвона являются, скорее всего, нейтронные звезды.

Говорят ли нам что-нибудь пульсары и рентгеновские источники о конечных стадиях эволюции звезд? Уверены ли мы, что все звезды под конец превращаются в нейтронные звезды или белые карлики? Важное свойство этих двух типов звезд позволяет думать, что существует еще и третья возможность.