...В двадцать второй день седьмой Луны первого года периода Ши-Хо Янг Вейтэ сказал: «Простираю свою персону ниц: я наблюдал в созвездии Твен-Куан явление звезды-гостьи. Она была слегка радужного цвета. Согласно распоряжению императора я почтительнейше сделал предсказание, сводящееся к следующему: Звезда-гостья не нарушит Альдебарана. Это указывает, что страна обретет великую силу. Я прошу, чтобы это предсказание было передано на хранение в департамент историографии...».

(Хроника Сунь Ханьяо, содержащая доклад начальника астрономического департамента императорского Китая Янг Вейтэ о его наблюдениях Сверхновой 1054 года. История действительно сохранила следы этой вспышки, наблюдаемой в наши дни как Крабовидная туманность — пожалуй, самый интересный объект в Галактике...)

 

Глава 15 Общие сведения о сверхновых звездах

С незапамятных времен астрономам известно, что время от времени на небе появляются звезды, дотоле не наблюдавшиеся. В тех случаях, когда неожиданно вспыхнувшая звезда бывает достаточно яркой, она «нарушает» привычную конфигурацию созвездия, в котором она вспыхнула, и невольно обращает на себя внимание людей, хотя и далеких от астрономии, но знающих звездное небо. Заметим, однако, что такие яркие вспышки бывают редко. Исторические хроники донесли до нас свидетельства о таких удивительных явлениях, случившихся много веков назад (см. эпиграф к этой части книги). В большинстве же случаев странные звезды бывают слабыми и редко их можно видеть невооруженным глазом. С давних времен эти удивительные звезды получили название «новых». Как уже давно установлено, новые звезды — это галактические объекты. В максимуме блеска их абсолютная величина достигает значения -7 и даже ярче. Это означает, что их светимость в десятки и сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. Через несколько месяцев их блеск сильно падает и наконец они «стабилизируются» как карликовые, горячие звездочки очень низкой светимости. Уже довольно давно было показано, что подавляющее большинство (если не все) новых звезд представляют собой тесные двойные системы. Ежегодно в нашей звездной системе — Галактике — вспыхивает несколько десятков новых звезд, причем только малая их часть доступна астрономическим наблюдениям, так как большинство их весьма удалено и скрыто от нас поглощающей свет межзвездной пылевой средой. В § 14 мы уже немного беседовали об этих звездах в связи с проблемой эволюции в двойных звездных системах. Напомним, что одни и те же новые звезды вспыхивают многократно, через довольно значительные промежутки времени, исчисляемые сотнями и тысячами лет. Существенно подчеркнуть, однако, что при всей грандиозности явления такой вспышки оно не связано с коренным изменением структуры звезды и тем более ее разрушением. После очередной вспышки звезда возвращается примерно в то же состояние, в котором она пребывала до вспышки. Изредка, однако, астрономы наблюдают неизмеримо более грандиозное явление — взрывы звезд, сопровождаемые радикальными изменениями их структуры. К этому выводу, однако, астрономы пришли далеко не сразу.

Началось с того, что 31 августа 1885 г. на старейшей обсерватории нашей страны, находящейся в городе Тарту, астроном Гартвиг обнаружил новую звезду, находящуюся довольно близко от ядра туманности Андромеды. Эта звезда имела блеск около 6,5 звездной величины, т. е. люди с острым зрением могли бы ее видеть без всяких оптических инструментов.

Видимая звездная величина всей туманности Андромеды близка к 4,5 величины. Это означает, что поток излучения от вспыхнувшей новой звезды был всего лишь в 6,25 раза меньше, чем от всей туманности. Так как не подлежало сомнению, что звезда вспыхнула в самой туманности, то это означает, что ее светимость была в 6,25 раза меньше светимости туманности Андромеды.

Ни Гартвиг, ни его современники еще не знали, что туманность Андромеды — это не просто «клочок светящегося вещества», расположенный сравнительно близко от Солнца, а гигантский звездный остров, насчитывающий несколько сотен миллиардов звезд. Тогда само слово «галактика» еще не существовало. Правда, еще со времен Ламберта (XVIII век) в астрономии получила распространение концепция «островных вселенных», согласно которой уже известные тогда спиральные туманности представляют собой огромные коллективы звезд, погруженные в газово-пылевую, весьма разреженную среду. Согласно этой концепции наша Галактика, наблюдаемая в виде полосы Млечного Пути, такая же «островная вселенная», как и весьма удаленные от нас спиральные туманности. Однако глубокая идея Ламберта носила чисто умозрительный характер. Физически обоснованного метода определения расстояний до спиральных туманностей тогда еще не было. Только в начале 20-х годов нашего столетия концепция «островных вселенных» была доказана и стала прочным завоеванием науки.

Поэтому мы должны прежде всего удивиться грандиозности явления, наблюдавшегося тартуским астрономом. Подумать только! Ведь туманность Андромеды, как сейчас известно, удалена от нас на расстояние 600 000 пс, т. е. свыше 2 миллионов световых лет! И вот на таком чудовищно большом расстоянии вспыхивает звезда, которая чуть ли не видна простым глазом! Заметим в этой связи, что даже самые яркие звезды, которые были обнаружены в этой туманности (что, кстати сказать, послужило основным доказательством справедливости концепции «островных вселенных»), имеют ничтожно малую видимую звездную величину порядка 20. А все звезды этой гигантской галактики (превосходящей нашу Галактику, также являющуюся гигантским объектом), число которых составляет сотни миллиардов, излучали всего лишь в 6,25 раза больше, чем одна звезда. Вот это фейерверк!

Из наблюдений Гартвига можно было восстановить кривую блеска (т. е. зависимость звездной величины от времени) этой звезды. Так, например, за две недели до максимума ее блеск соответствовал 9-й звездной величине, в то время как за год до этого на месте этой звезды ничего нельзя было обнаружить — значит, она была слабее 15-й величины. Начиная с марта следующего, 1886 г. эту звезду уже нельзя было обнаружить даже в самые большие телескопы.

В последние десятилетия в гигантской удаленной звездной системе туманности Андромеды систематически наблюдаются обычные новые звезды. В максимуме блеска они бывают 17—18-й звездной величины. Их наблюдается ежегодно несколько десятков — примерно столько же, сколько вспыхивает в нашей Галактике. Отсюда следует, что Новая 1885 г. действительно представляла собой совершенно незаурядное явление — она была примерно на 12 величин ярче обычных новых. Это означает, что ее светимость в максимуме блеска была в десятки тысяч раз больше, чем у обычных новых.

Между 1885 и 1920 гг. наблюдалось несколько вспышек ярких новых в ближайших к нам внегалактических туманностях — галактиках. В высшей степени интересной была вспышка такой звезды в июле 1895 г. в туманности NGC 5253. Эта звезда, получившая название Z Центавра, в максимуме блеска имела звездную величину, равную 7,2. Весьма любопытно, что сама галактика NGC 5253 на пять величин (т. е. в 100 раз!) слабее. Правда, это карликовая галактика, не чета туманности Андромеды или нашей Галактике, но все же там имеется несколько миллиардов звезд. Значит, одна звезда в течение короткого времени излучала в 100 раз больше, чем миллиарды звезд всей этой галактики! Есть чему удивляться. История повторяется: в 1972 г. в той же галактике NGC 5253 вспыхнула другая звезда, блеск которой доходил до 8m . Эта звезда сыграла выдающуюся роль в развитии наших представлений о природе таких объектов. Ибо в наши дни техника астрономических наблюдений неизмеримо выше, чем в 1895 г. ... Новая звезда в NGC 5253 стала объектом яростной атаки целой армии астрономов, которые тщательно исследовали ее излучение в самых различных участках спектра. Опубликованные результаты привели к значительному прогрессу в понимании природы этих объектов.

Всего за период 1885—1920 гг. было обнаружено в разных галактиках около 10 таких вспышек. Вспышки наблюдались в галактиках самой различной формы — эллиптических, спиральных, неправильных. Уже из этого несовершенного ряда наблюдений можно сделать очень важный вывод: такие феноменальной мощности вспышки происходят чрезвычайно редко. Грубая оценка показывает, что в одной галактике одна вспышка случается в среднем один раз за несколько сотен лет.

На основании описанных выше основных наблюдательных данных в 1919 г. известный шведский астроном Лундмарк выдвинул гипотезу, что в галактиках, кроме «обычных новых звезд», частота вспышек которых довольно велика, изредка вспыхивают звезды, светимость которых в максимуме в десятки тысяч раз больше.

В 1934 г. американские астрономы Цвикки и Бааде предложили такие звезды называть «сверхновыми». Хотя этот термин, по мнению автора настоящей книги, довольно бессмыслен, он получил широчайшее распространение и сейчас является общепринятым для обозначения грандиозного явления взрыва звезд.

В нашей Галактике, являющейся гигантской звездной системой, лишь немногим уступающей туманности Андромеды, также время от времени должны происходить вспышки сверхновых звезд. Но, как уже указывалось выше, это очень редкое явление. С другой стороны, если даже с такого огромного расстояния, как расстояние до туманности Андромеды, вспышка сверхновой почти что была видна невооруженным глазом, то что же можно ожидать, если она вспыхнет «рядом», в пределах нашей Галактики? Здесь, правда, надо сделать одно немаловажное замечание. Из-за поглощения межзвездными пылевыми частицами свет от удаленных от нас галактических объектов будет очень сильно ослаблен. У непосвященного читателя может, конечно, возникнуть вопрос: а почему это не происходит в случае, если сверхновые вспыхивают в удаленных «чужих» галактиках? Ответ состоит в том, что наша Галактика подобно другим спиралям представляет собой весьма уплощенную систему, а Солнце находится всего лишь в десятке парсек от ее плоскости симметрии. Хорошей моделью может служить очень тонкий диск, например, патефонная пластинка. Поглощающая свет пылевая среда расположена в очень тонком слое. Поэтому, если сверхновая вспыхнет на «том конце» диска, ее свет будет проходить много тысяч парсек через пылевой слой и может совсем поглотиться. Другие же галактики, как правило, находятся в направлениях, образующих большие углы с плоскостями галактического диска. Поэтому свет будет проходить через поглощающую среду сравнительно короткие отрезки, порядка сотен парсек.

Несмотря на это, вспышка сверхновой должна в нашей Галактике, как правило, сопровождаться сильнейшим оптическим эффектом. Тот же Лундмарк специально исследовал старинные исторические хроники с целью найти в них указания на внезапно вспыхивавшие звезды, которые в некоторых случаях могли быть сверхновыми. Этим увлекательным делом занимались и до Лундмарка (Биа, Гумбольдт и др.). Но только шведский астроном знал, что надо искать — он искал древние вспышки сверхновых звезд. В своих поисках он добился выдающихся результатов.

Работами Лундмарка и его последователей доказано, что в нашей Галактике за последние 1000 лет наблюдались по крайней мере шесть сверхновых: в 1006, 1054, 1181, 1572, 1604 и 1667 годах. Особую роль в истории астрономии сыграла сверхновая 1054 г., на месте которой находится знаменитая Крабовидная туманность — см. §§ 17 и 19. Но, конечно, ясно, что для изучения этого уникального явления древних хроник совершенно недостаточно — необходимо было наладить специальную наблюдательную службу, чтобы «подкараулить» вспышки сверхновых в других звездных системах, где они происходят на наших глазах. Идея таких поисков очень проста: если в каждой конкретной галактике вспышка сверхновой происходит всего лишь раз в несколько сотен лет, то систематически «патрулируя» много сотен галактик, в среднем каждый год можно надеяться (если не прозевать!) наблюдать одну-две сверхновые. Трудности такого поиска, однако, состоит в том, что заранее совершенно не известно, в какой именно галактике произойдет вспышка.

Впервые «службу вспышек сверхновых» осуществил в 1933 г. Цвикки, который для этой цели использовал весьма скромный 10-дюймовый телескоп. Он проводил систематические поиски в 175 площадках неба, в которых находилось большинство сравнительно близких к нам галактик. Таким образом, он внимательно следил за 3000 галактик ярче 15-й величины, из которых 700 были ярче 13-й величины. Результаты этой планомерной работы не замедлили сказаться. Всего за период 1936—1939 гг. он наблюдая в разных галактиках 12 вспышек сверхновых. Учитывая неизбежные несовершенства системы патрулирования, из своих наблюдений Цвикки сделал важный вывод, что в среднем в каждой галактике происходит одна вспышка в 360 лет.

Работу Цвикки проводил в самой тесной кооперации с другими астрономами. Найденные им сверхновые со всей возможной тщательностью исследовались фотометрически и спектроскопически. Были получены кривые блеска этих сверхновых (рис. 15.1), а также их спектры. После перерыва, вызванного второй мировой войной, исследования были возобновлены в 50-х годах с более совершенными наблюдательными средствами. Количество вновь обнаруженных сверхновых резко увеличилось. Так, например, если за период времени 1885—1956 гг. всего было обнаружено 54 сверхновых, то между 1956 и 1963 гг. их было обнаружено уже 82. К 1983 г. всего было зарегистрировано около 500 сверхновых.

Эти исследования показали, что сверхновые отнюдь не представляют собой однородную группу объектов. Прежде всего кривые блеска обнаруживают большое разнообразие. В первом приближении, по своим наблюдательным особенностями, сверхновые делятся на два типа. На рис. 15.2 приведена схематическая кривая блеска сверхновой I типа. После быстрого подъема яркость в течение длительного времени почти постоянна. Затем блеск сверхновой довольно быстро падает, после чего дальнейшее увеличение ее видимой величины идет почти по линейному закону, что соответствует экспоненциальному уменьшению светимости. Обращает на себя внимание большое сходство кривых блеска у разных сверхновых после максимума. Совершенно другой тип кривых блеска показывают сверхновые II типа (рис. 15.3). Они отличаются большим разнообразием. Как правило, их максимумы «уже» (т. е. они занимают меньше времени). На заключительной стадии кривые блеска сверхновых этого типа значительно круче. Иногда наблюдаются вторичные максимумы и т. д. Очень вероятно, что сверхновые этого типа не представляют однородной группы объектов.

Зная расстояния до галактик, где произошли вспышки сверхновых, можно найти их абсолютные величины в максимуме блеска. Они близки к -20m , что соответствует светимости, доходящей до 3 1043 эрг/с — почти в десять миллиардов раз больше светимости Солнца! Зная кривые блеска, можно найти, что всего за время вспышки такая звезда излучает до 1050 эрг. Чтобы излучить такое количество энергии, Солнцу надо миллиард лет, а здесь она освобождается за несколько месяцев.

Очень интересной и, несомненно, важной является зависимость типа сверхновой от характеристики галактики, в которой произошла вспышка. Сверхновые II типа вспыхивают только в ветвях спиральных галактик, между тем как в эллиптических и «неправильных» галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Заметим, однако, что в спиральных галактиках (например, в нашей Галактике) вспыхивают как сверхновые II, так и I типов. Тот факт, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, сам по себе весьма многозначителен. Дело в том, что по современным представлениям, основывающимся на теории звездной эволюции и наблюдательных данных (см. § 12), в составе звездного населения таких галактик практически нет звезд, масса которых превышала бы некоторый предел, близкий к массе Солнца. В эллиптических галактиках почти нет межзвездной среды, и поэтому процесс звездообразования давно уже там прекратился. Следовательно, звездное население таких галактик — это очень старые звезды с малой (не больше солнечной) массой. Когда-то, около 10 миллиардов лет назад, когда в эллиптических галактиках бурно протекал процесс звездообразования, там рождались и массивные звезды. Но сроки их эволюции, как мы видели в § 12, сравнительно невелики, и они давно уже прошли стадию красных гигантов, превратились в белые карлики и другие «мертвые» объекты, о которых речь будет идти в последней части этой книги. Отсюда следует важный вывод, что сверхновые I типа до взрыва — это очень старые звезды, масса которых если и превосходит массу Солнца, то очень ненамного (скажем, на 10—20%). Так как кривые блеска и спектры (см. ниже) всех сверхновых этого типа удивительно сходны, мы можем утверждать, что и в спиральных галактиках (например, в нашей) звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа, суть очень старые объекты со сравнительно небольшой массой.

Что касается звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, то логично сделать вывод, что это молодые объекты. Это следует из того простого факта, что они находятся в спиральных рукавах, где из газово-пылевой среды рождаются звезды. Они наблюдаются в сравнительной близости от места своего рождения просто потому, что за время своей жизни еще не успели оттуда уйти. Принимая во внимание, что беспорядочная скорость звезд (и облаков газа) в области спиральных рукавов близка к 10 км/с, а толщина рукава порядка сотен парсек, можно сделать вывод, что возраст звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, не превышает нескольких десятков миллионов лет. Но, с другой стороны, даже ничего не зная о конкретном механизме вспышки (вернее, взрыва) звезды, можно утверждать, что такая «неприятность» с ней может случиться только после того, как она сойдет с главной последовательности и начнет весьма сложный заключительный этап своей эволюции (см. § 12). Какие же звезды «живут» на главной последовательности не дольше, чем несколько десятков миллионов лет? Очевидно, только достаточно массивные звезды, у которых масса во всяком случае превышает 10 солнечных масс (см. § 12). Итак, из очень простых рассуждений мы пришли к выводу, что звезды, вспыхивающие как сверхновые II типа,— это молодые, очень массивные объекты. Когда они находились на главной последовательности, они представляли собой звезды спектральных классов O и B, т. е. горячие голубые гиганты. Однако тот факт, что в неправильных галактиках типа Магеллановых Облаков вспыхивают только сверхновые I типа, явно не вяжется с нарисованной сейчас картиной. Ведь у этих галактик очень много горячих массивных звезд — почему же там не наблюдаются сверхновые II типа?

Как уже подчеркивалось выше, в случае сверхновых I типа вспыхивают очень старые звезды, масса которых лишь немного превышает массу Солнца. Закономерный конец эволюционного пути таких звезд — это превращение их в белый карлик с одновременным образованием планетарной туманности (см. § 13). Ежегодно в нашей Галактике образуется несколько планетарных туманностей, следовательно, такое же количество звезд с массой чуть побольше солнечной кончает свой жизненный путь, превращаясь в белые карлики. И только приблизительно раз в сотню лет (может быть, правда, немного чаще; см. § 16) происходит вспышка сверхновой I типа, причем вспыхивающая звезда должна иметь ту же массу, что и «предки» планетарных туманностей. Но это означает, что только одна из сотни звезд с одинаковыми (сравнительно небольшими) массами кончает свой путь как сверхновая I типа. Почему? В чем ее «патология», т. е. какие причины определяют совершенно особый финал ее жизненного пути, так драматически не похожий на судьбу подавляющего большинства ее «подруг»? К этому важному вопросу мы вернемся в конце § 18. Там будет сделана попытка связать воедино такие, казалось бы, различные проблемы астрофизики, как образование белых карликов в результате эволюции красных гигантов, «попутное» образование планетарных туманностей и причина взрыва образовавшихся таким образом белых карликов — взрывов, наблюдаемых как явление вспышки сверхновых I типа.

Так же как и кривые блеска, отличаются друг от друга и спектры сверхновых I и II типов. Более «привычный» вид имеют спектры сверхновых II типа. У них на фоне весьма интенсивного непрерывного спектра наблюдаются широкие полосы излучения и поглощения. Из распределения энергии в непрерывном спектре около максимума блеска звезды следует, что температуры излучающих газов очень велики: выше 40 000 К. В этом отношении спектры сверхновых II типа напоминают горячие звезды спектрального класса В. Основные полосы излучения и поглощения уверенно отождествляются с линиями водорода, гелия и некоторых других элементов. Исключительно большая ширина полос объясняется эффектом Доплера, вызванным огромными, в разные стороны направленными скоростями масс газа, который производит излучение и поглощение. Эти скорости доходят до 10 000 км/с. Спектры сверхновых II типа похожи на спектры обычных новых звезд, которые хорошо исследованы и объясняются выбрасыванием во время вспышек значительного количества газа. Разница, однако, состоит в том, что ширина полос излучения и поглощения у сверхновых II типа гораздо больше. Применение надежных астрофизических методов анализа таких спектров позволяет оценить массу выброшенного во время вспышек газа. У сверхновых II типа она превосходит одну солнечную массу, в то время как у обычных новых выбрасывается во время вспышки 10-4—10-5 массы Солнца. Само увеличение блеска сверхновой после начала вспышки объясняется непрерывным ростом излучающей поверхности у расширяющейся с огромной скоростью массы газа при непрозрачности последнего. После максимума выброшенная оболочка становится прозрачной и ее дальнейшее расширение влечет за собой уменьшение светимости, так как плотность оболочки будет быстро падать. Выброшенная во время вспышки масса газа навсегда порывает связь со вспыхнувшей звездой и движется в межзвездном пространстве, взаимодействуя с межзвездной средой. Такие огромных размеров оболочки — туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, существуют десятки тысяч лет и представляют собой весьма важные объекты астрономических исследований. Мы о них подробно будем рассказывать в §§ 16, 17, а пока только обратим внимание на большую величину массы, выброшенной во время вспышек сверхновых II тип»; это явно доказывает, что вспыхнувшие звезды были достаточно массивны — результат, который мы получили выше косвенными методами.

Иначе выглядят спектры сверхновых I типа. Они очень похожи друг на друга и, что особенно любопытно, одинаково меняются со временем у разных сверхновых. Можно даже определить по виду такого спектра время, прошедшее после вспышки. Эти спектры имеют вид очень широких, частично перекрывающихся полос излучения. Стечением времени отдельные полосы постепенно исчезают, появляются новые полосы, а относительная их интенсивность меняется. Долгое время астрономы не могли разобраться в спектрах сверхновых I типа, хотя недостатка в гипотезах, конечно, не было. Только лет 25 назад американский астроном Мак Лафлин напал на верный путь. Предыдущие исследователи были «загипнотизированы» широкими полосами излучения в спектрах этих сверхновых, тщетно пытаясь их отождествить. Американский астроном обратил внимание на «провалы» между полосами, истолковав их как полосы поглощения, «выедающие» непрерывный спектр. Он получил несколько новых спектрограмм сверхновых I типа, на которых присутствие полос поглощения настолько ярко выражено, что не вызывает сомнения. Эти полосы поглощения Мак Лафлин отождествил с линиями гелия, кальция и некоторых других элементов, причем излучающиеся газы беспорядочно движутся со скоростью 10 000 км/с. В дальнейшем метод, предложенный Мак Лафлином, был успешно применен для расшифровки спектров сверхновых звезд I типа советскими астрономами Ю. П. Псковским и Э. Р. Мустелем.

Ю. П. Псковский исходил из плодотворной идеи, что спектры сверхновых I типа должны быть сходны со спектрами горячих сверхгигантских звезд. Основная часть излучения сверхновых должна состоять из непрерывного спектра, который по мере расширения оболочки сверхновой должен становиться все более «красным». Наблюдения изменений цвета сверхновых I типа обосновывают эту картину. Характерной особенностью спектров горячих сверхгигантов является так называемый «эффект абсолютной величины». Это значит, что в спектре следует ожидать присутствия прежде всего линий поглощения однажды ионизованных атомов достаточно обильных элементов. В спектрах сверхновых эти линии из-за огромной скорости расширения оболочки, доходящей до 20 000 км/с, должны быть сильно расширены (размыты) и значительно смещены в «фиолетовую» (т. е. коротковолновую) сторону.

Наблюдения последних лет полностью подтвердили эту концепцию. Большой удачей была вспышка яркой сверхновой I типа в близкой карликовой галактике NGC 5253 (см. выше). Было получено значительное количество спектров этой сверхновой на разных стадиях ее эволюции. Решающим подтверждением «абсорбционной» интерпретации спектров сверхновых I типа было обнаружение в их спектрах (в частности, в спектре сверхновой в NGC 5253) линий поглощения ионизованного кальция в близкой инфракрасной области, которые имели точно такое же «фиолетовое» смещение, как и сильные линии поглощения в близкой ультрафиолетовой части спектра, отождествляемые с хорошо известными резонансными линиями H и K ионизованного кальция.

Кроме этих линий, являющихся самыми интенсивными, в спектрах сверхновых I типа надежно отождествлена известная резонансная линия натрия и некоторые другие линии. Большое количество спектральных линий в спектре сверхновых I типа пока не удается отождествить, так как эти линии сильно размыты и перекрывают друг друга.

Важным отличием спектров сверхновых I типа от спектров сверхновых II типа является отсутствие у первых сколько-нибудь интенсивных линий водорода. Похоже на то, что обилие водорода по отношению к другим элементам в оболочках сверхновых I типа значительно ниже «нормального», характерного для сверхновых II типа. Это лишний раз говорит в пользу представления о том, что звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа,— старые, сильно проэволюционировавшие объекты со сравнительно малой массой.

Новая интерпретация спектров сверхновых открывает возможность решить важную космологическую проблему — надежно определить расстояния до галактик и уточнить характер расширения Вселенной. Из спектральных наблюдений определяется скорость расширения оболочки сверхновой; отсюда непосредственно можно получить линейный радиус фотосферы Rф. Те же наблюдения дают температуру фотосферы T. Отсюда по формуле L = 4 Rф2 T4 определяется светимость сверхновой, а следовательно, ее абсолютная величина. Сравнение с видимой величиной (см. формулу (1.3) § 1) сразу же дает расстояние до сверхновой, а следовательно,— до соответствующей галактики. Таким образом, было найдено, что так называемая «постоянная Хаббла» (основная величина, характеризующая скорость расширения Вселенной) H = 55 км/с Мпс; отсюда следует, что возраст Вселенной около 15 миллиардов лет. По-видимому, это одно из наиболее надежных определений величины H.

 

Глава 16 Остатки вспышек сверхновых — источники рентгеновского и радиоизлучения

В результате взрыва звезды, который наблюдается как явление сверхновой, вокруг нее образуется туманность, расширяющаяся с огромной скоростью: как правило, порядка 10 000 км/с. Большая скорость расширения есть главный признак, по которому остатки вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например, планетарных. Последние расширяются с довольно умеренной скоростью, порядка немногих десятков км/с, т. е. примерно с той же скоростью, которую следует ожидать при расширении горячего газа в пустоте (см. § 13). Иное дело остатки сверхновых: здесь все говорит о взрыве огромной мощности, разметавшем наружные слои звезды в разные стороны и сообщившем отдельным кускам выброшенной оболочки огромные скорости. Потом, спустя много сотен и тысяч лет, выброшенные при взрыве облака газа начнут тормозиться окружающей средой, с которой они взаимодействуют, их скорости начнут падать и снизятся до сотен и даже десятков километров в секунду. Еще задолго до этого не останется никаких видимых (т. е. наблюдаемых в оптическом диапазоне) следов взорвавшейся звезды. Но еще долгие тысячелетия и десятки тысяч лет будет существовать весьма своеобразная туманность, образовавшаяся при гигантской космической катастрофе — взрыве звезды. Пройдет, однако, сотня тысяч лет, и следы такой катастрофы в межзвездной среде почти сотрутся: остатки сверхновой полностью растворятся в этой среде. И только во многом еще загадочные пульсары, в которые превращается существенная часть взорвавшихся звезд (см. следующую часть), еще многие миллионы лет будут излучать радиоволны.

Мы можем рассматривать вспышку сверхновой звезды как сильнейшее локальное возмущение окружающей ее межзвездной среды. Для этого совершенно необязательно знать, каковы были причины взрыва звезды и каковы конкретные особенности взрыва. Надо только знать полное количество энергии, выделившееся во время взрыва в форме кинетической энергии выброшенной газовой оболочки. Кроме того, необходимо знать плотность окружающей межзвездной среды. Аналогичную задачу для сильных взрывов в земной атмосфере (ныне, к счастью, запрещенных большинством стран) решил академик Л. И. Седов еще в 1945 г. Автор этой книги применил в 1960 г. решение Седова к задаче вспышки сверхновой звезды. Будем считать окружающую межзвездную среду однородной с постоянной плотностью газа n1 атомов в 1 см3. Теория Седова предполагает, что взрыв является адиабатическим, т. е. энергия не покидает область взрыва через посредство излучения. Вспышку сверхновой можно рассматривать как мгновенное выделение тепловой энергии E в точке, которую мы примем за начало координат в момент времени t = 0. В некоторый момент времени t возмущением от взрыва будет охвачена межзвездная среда, находящаяся внутри сферы радиуса R2. Внутри этой сферы температура межзвездного газа, по которому распространяется вызванная взрывом ударная волна, будет очень велика. За пределами среды она скачком падает до нормального (т. е. «невозмущенного») значения. На самой границе сферы, т. е. при R = R2, плотность межзвездного газа в четыре раза превышает невозмущенную плотность. Само применение теории Седова к нашей проблеме предполагает, что межзвездную среду можно считать сплошным сжимаемым континуумом. Такое предположение вполне законно, так как длина свободного пробега атомов и ионов в межзвездной среде, несмотря на огромную разреженность, все-таки гораздо меньше, чем R2. Согласно теории Седова будут выполняться следующие основные соотношения:

где E0 = 7,5 1050 эрг, k — постоянная Больцмана, а плотность межзвездной среды 1 = mH n1. Второе из этих уравнений имеет простой смысл: вся выделившаяся при взрыве энергия E распределяется между частицами газа, находящегося внутри сферы радиуса R2, нагревая его до температуры T2. Более детальные расчеты позволяют получить распределение плотности и температуры внутри сферы, охваченной возмущением от взорвавшейся звезды. Это распределение приведено на рис. 16.1. Из этого рисунка видно, что в центральной области сферы плотность газа очень мала. Газ образует как бы слой с толщиною около 1/10R2, Температура этого газа растет по направлению к центру сферы.

Из уравнений (16.1) можно получить скорость увеличения R2, т. е. скорость расширения фронта ударной волны:

Отсюда следует простое отношение:

Практическое значение этой формулы очень велико, так как она позволяет по измеренной скорости расширения остатков вспышки сверхновой (а это можно сделать, см. ниже), зная R2, найти возраст остатков, т. е. время, прошедшее после взрыва.

Необходимо подчеркнуть, что теория Седова неприменима к сравнительно ранней стадии возмущения межзвездной среды взрывом. На более поздних стадиях, которые вполне удовлетворительно описываются этой теорией, всякие следы облаков газа, выброшенных с огромной скоростью во время взрыва, уже исчезли. Они «растворились» в окружающем межзвездном газе, передав им свою энергию. Масса газа заключенного внутри сферы радиуса R2, в десятки и сотни раз превосходит массу газа, выброшенную во время взрыва. Это в основном масса межзвездной среды, возмущенной взрывом. В то же время излученная горячим газом за фронтом ударной волны энергия все еще значительно меньше E, первоначальной энергии взрыва. На еще более поздней фазе расширения туманности взрыв уже нельзя рассматривать как адиабатический и теорию Седова опять нельзя применять. За фронтом ударной волны газ успевает сравнительно быстро остыть. При таких условиях сохраняется уже не энергия движущегося газа (как в случае адиабатического взрыва), а его импульс: 4/3 R23 13 = const. Зависимость радиуса от времени будет очень слабая: R2 t1 / 4 . Большинство радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых — находятся либо на адиабатической стадии расширения, либо на «переходной», когда начинают играть роль процессы излучения. Поэтому в первом приближении теория Седова к остаткам вспышек сверхновых применима.

Как мы уже подчеркивали выше, задача возмущения межзвездной среды взрывом сверхновой рассматривалась нами идеализированно. Например, не учитывалось магнитное поле, находящееся в межзвездной среде, а также давление релятивистских частиц, находящихся внутри расширяющейся туманности (см. ниже). Можно, однако, показать, что на адиабатической стадии расширения значение этих факторов не является определяющим. Гораздо большее значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от нашей идеализированной схемы, межзвездная среда не является однородной. Это приводит к тому, что находящиеся в ней уплотнения будут «обжиматься» распространяющейся от взрыва ударной волной. От этого будут образовываться плотные газовые сгустки, зачастую вытянутой, «нитевидной» формы. Из-за высокой плотности газа в таких «нитях» они будут быстро охлаждаться до температуры в несколько десятков тысяч градусов и при этом станут наблюдаемы методами оптической астрономии. Таким образом, область взрыва будет окаймлена системой тонковолокнистых туманностей. Эти туманности распределены вокруг очага взрыва весьма неравномерно, отражая первоначальное распределение неоднородностей в межзвездной среде, окружающей взорвавшуюся звезду. Обнаруженные несколько десятилетий назад оптическими астрономами системы тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя были первым свидетельством о существовании огромных возмущений межзвездной среды, обусловленных взрывами звезд. Такую интерпретацию тонковолокнистых туманностей впервые предложил известный голландский астроном Оорт, обратившими внимание на отсутствие горячих звезд, способных возбудить к свечению эти туманности «нормальным» образом, т. е. путем ультрафиолетового излучения. На рис. 16.2 и 16.3 приведено несколько наиболее исследованных тонковолокнистых туманностей. Система таких туманностей в созвездии Лебедя (рис. 16.2) имеет огромные угловые размеры — около 3°. Так как расстояние до этих туманностей известно (около 800 пс), линейный диаметр 2R2 системы составляет около 40 пс — величина весьма большая. Ведь в сфере радиусом в 20 пс находится несколько тысяч звезд! На этом примере мы видим, каким большим является возмущение, которое связано со вспышкой сверхновой. Спектр волокон состоит из ряда линий излучения водорода, ионизованных кислорода, азота, серы и других элементов. Анализ смещений длин волн этих линий, обусловленных эффектом Доплера, позволил сделать вывод, что вся система волокон, изображенная на рис. 16.2, расширяется со скоростью до 400 км/с. Отсюда, отождествляя эту скорость со скоростью фронта ударной волны, по формуле (16.3) можно найти возраст этой системы волокон, который оказывается около 20 000 лет. У другой туманности, изображенной на рис. 16.3, возраст получается примерно такой же.

Температура газа на периферии системы тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя согласно формуле (16.1) должна быть около 3 миллионов кельвинов. Следует представить себе огромную радиусом в 20 пс оболочку, где межзвездный газ нагрет до такой высокой температуры, а в ней заключены сравнительно холодные, плотные нитевидные волокна, изображенные на рис. 16.2. Основная масса газа в оболочке радиусом R2 = 20 пс имеет высокую температуру, а холодные нити — это только небольшие «вкрапления». Аналогичную структуру имеют и другие остатки сверхновых. Таким образом, вплоть до сравнительно недавнего времени основная часть газа, находящегося в остатках вспышек сверхновых, была ненаблюдаема, так как оптическое излучение весьма разреженного, очень горячего газа ничтожно мало.

Развитие рентгеновской астрономии коренным образом изменило эту ситуацию. В 1970 г. был обнаружен источник мягкого рентгеновского излучения на месте системы волокнистых туманностей в созвездии Лебедя. Этот источник имеет угловые размеры, близкие к угловым размерам системы туманностей. Из вида рентгеновского спектра следует, что излучающий газ имеет температуру несколько миллионов кельвинов. Любопытно, что плазма с такой температурой и химическим составом, подобным химическому составу межзвездной среды, должна излучать интенсивные спектральные линии излучения, главным образом сильно ионизованных атомов кислорода, у которых осталось только 1—2 внутренних электрона. Эти линии находятся в мягкой рентгеновской области спектра и имеют длину около 20 Å. Они действительно обнаружены в рентгеновском спектре волокнистых туманностей в созвездии Лебедя (см. рис. 16.2). В близком будущем рентгеновская спектроскопия таких объектов позволит получить весьма ценную информацию о физических условиях в остатках вспышек сверхновых.

Хотя разрешающая способность современных детекторов космического рентгеновского излучения еще низка (ем. введение), очень большие угловые размеры системы волокнистых туманностей в Лебеде позволяют получить хотя и грубое, но все же вполне реальное рентгеновское изображение этого источника. Оно приведено на рис. 16.4. Из этого рисунка прежде всего отчетливо видна оболочечная структура излучающей области, что находится в полном согласии с описанной выше теорией. Излучающее вещество находится на периферии огромной, квазисферической области, хотя распределение его весьма нерегулярно.

Это объясняется, как мы уже говорили выше, неоднородным распределением плотности в окружающей взорвавшуюся звезду межзвездной среде. Можно заметить также грубое соответствие между распределением рентгеновского и оптического излучений.

Мы уже упоминали о рентгеновском телескопе, установленном на обсерватории «Эйнштейн». Этот прибор работал в мягком рентгеновском диапазоне, регистрируя кванты с энергией в интервале 0,1—4,5 кэВ. Он обладал неслыханной до этих пор чувствительностью — до 3 10-14 эрг/см2 с (при времени накопления квантов от источника около суток).

С помощью этого рентгеновского телескопа был выполнен ряд выдающихся по своему значению наблюдений. В частности, проводилось систематическое исследование остатков вспышек сверхновых. Всего было получено свыше 100 рентгеновских изображений таких объектов. Другими словами, были исследованы все известные остатки сверхновых в нашей Галактике и в Магеллановых Облаках. Это дало возможность построить эволюционную последовательность таких объектов, оказавшуюся в полном согласии с развитой нами теорией, основывающейся на формуле Седова (16.1).

До сих пор речь шла об оптическом и рентгеновском излучении туманностей, образовавшихся после вспышек сверхновых. Оба эти вида излучения являются простым следствием высокой температуры в плазме, образующейся за фронтом распространяющейся от очага взрыва ударной волны в межзвездной среде. Однако уже на заре радиоастрономии было обнаружено, что остатки вспышек сверхновых являются мощными источниками радиоизлучения совершенно особой природы. Обнаружение радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых, бесспорно, является важнейшим этапом в истории изучения этих объектов. Как мы увидим дальше, исследование радиоизлучения является весьма эффективным методом анализа физических условий в расширяющихся оболочках — остатках взорвавшихся звезд. А это в свою очередь приближает нас к пониманию самого процесса взрыва звезд. Особый интерес представляет еще и то обстоятельство, что открывается возможность чисто радиоастрономическим методом определить расстояние до источников, что имеет, конечно, очень важное значение для понимания их природы. Перейдем теперь к изложению основных результатов наблюдений радиоизлучения остатков вспышек сверхновых.

В 1948 г. английские радиоастрономы Райл и Смит обнаружили на северном небе в созвездии Кассиопеи необыкновенно яркий источник радиоизлучения, названный ими «Кассиопея А». В то время радиоастрономия переживала начальный, «героический» период своего развития. Выдающиеся открытия, совершаемые бывшими офицерами радиолокационной службы, следовали одно за другим. За два года до открытия Кассиопеи А другая группа английских радиоастрономов открыла первый «дискретный» источник радиоизлучения на небе — знаменитый «Лебедь А», который, как выяснилось через 5 лет, представляет собой удаленную галактику. Это была первая радиогалактика! На метровых волнах поток радиоизлучения от Кассиопеи А почти в два раза превышает поток от Лебедя А и довольно близок к потоку радиоизлучения от «спокойного» Солнца (т. е. в периоды, когда нет пятен, вспышек и других проявлений активности). Тот факт, что весьма удаленный от нас космический объект посылает поток почти такой же, как и «рядом» находящееся Солнце, сам по себе поразителен. Он говорит о необычности космических явлений в радиодиапазоне и о коренном отличии этих явлений от оптических. Сейчас, спустя 35 лет после открытия Кассиопеи А, радиоастрономия шагнула далеко вперед. На пределе своих возможностей она может зарегистрировать потоки радиоизлучения, в миллионы раз меньшие, чем от Кассиопеи А. Подавляющее большинство слабых источников представляют собой метагалактические объекты. Только малая часть сравнительно ярких известных источников отождествляется с остатками вспышек сверхновых. Вернемся, однако, к Кассиопее А.

Сразу же после открытия этого ярчайшего радиоисточника невольно поразило то обстоятельство, что на его месте решительно ничего примечательного в оптических лучах не наблюдается. Создавалось впечатление, что мощнейший поток радиоизлучения приходит к нам, что называется, «из пустого места». Однако через три года, в 1951 г., Смит существенно уточнил координаты этого радиоисточника, что позволило американским астрономам Бааде и Минковскому обнаружить на этом месте очень слабую, совершенно необычную туманность, несомненно, связанную с источником радиоизлучения. Дальнейшие исследования показали, что этот источник имеет хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры — около 5 минут дуги. Клочья и обрывки слабой оптической туманности как раз заполняют всю область, занимаемую источником радиоизлучения.

Весьма характерен радиоспектр Кассиопеи А. Он хорошо представляется степенным законом (см. рис. 16.8 на стр. 459)

где  — частота, а 0,8 во всем диапазоне частот от метровых до сантиметровых волн. Величина называется «спектральным индексом», a F  — «спектральная плотность потока», определяемая как количество энергии, проходящее через единицу поверхности за единицу времени в единичном интервале частот. Заметим, что степенной спектр является типичным для большинства источников космического радиоизлучения. Различные источники отличаются значениями спектрального индекса , который, впрочем, как правило, меняется в не слишком широких пределах. Такой характер спектра тесно связан с механизмом радиоизлучения, о чем речь будет идти ниже.

После 1948 г. в нашей Галактике было открыто несколько источников радиоизлучения, связанных с остатками вспышек сверхновых. В следующем, 1949 г. австралийскими радиоастрономами было обнаружено радиоизлучение от Крабовидной туманности — остатка вспышки сверхновой 1054 г. Через 3 года было обнаружено радиоизлучение от остатков вспышек сверхновых 1572 г. (Тихо) и 1604 г. (Кеплер). После этого был обнаружен протяженный (угловые размеры 3°) радиоисточник на месте системы волокнистых туманностей в созвездии Лебедя. Почти одновременно был обнаружен также протяженный источник радиоизлучения в созвездии Близнецов, на месте волокнистой туманности IС 443. Это открытие и дало основание считать эту туманность остатком вспышки сверхновой. В последующие годы было открыто довольно много таких объектов. Все они находятся около галактического экватора, что указывает на их весьма высокую концентрацию к галактической плоскости.

Как правило, остатки вспышек сверхновых представляют собой в рентгеновских и радиолучах неправильные, часто «неполные» оболочки с заниженной интенсивностью в центральной части (см. рис. 16.5). Около 10 лет тому назад у остатков вспышек сверхновых был выделен новый класс объектов, получивших название «плерионы». Это такие остатки, у которых яркость концентрируется к центральной части. Классическим объектом этого типа является знаменитая Крабовидная туманность (см. рис. 17.2), которой будет посвящен следующий параграф. Всего в настоящее время в Галактике известно около десятка плерионов. Наряду с Крабовидной туманностью, большой интерес представляет объект 3C 58, отождествляемый со вспышкой сверхновой, наблюдавшейся в качестве «звезды-гостьи» в 1181 г. Недавно на обсерватории «Эйнштейн» в центре этого объекта как будто бы наблюдался точечный источник.

Встречаются также «гибридные» комбинации плерионов и оболочечных источников. Хорошим примером такой морфологии является объект Паруса X. Похоже на то, что у плерионов радиоспектр значительно более «плоский», чем у «оболочечных» источников. Значение плерионов для радиоастрономии определяется их несомненной связью с пульсарами (см. § 20).

Среди довольно протяженных, с низкой поверхностной яркостью радиоисточников,— остатков вспышек сверхновых — резко выделяется Кассиопея А. Этот компактный объект имеет огромную поверхностную яркость (в радиолучах, разумеется), а связанная с ним оптическая туманность резко отличается от тонковолокнистых туманностей, наблюдаемых в «старых» остатках сверхновых звезд. Эта туманность имеет настолько необычный вид, что первое время открывшие ее исследователи упорно не желали считать ее остатком вспышки сверхновой. Действительно, вид этой туманности и ее спектр совершенно не похожи ни на Крабовидную туманность и ее спектр, ни на изображенные на рис. 16.2 и 16.3 системы тонковолокнистых туманностей в Лебеде и Близнецах. На рис. 16.6 приведена фотография туманности Кассиопея А, полученная в красных лучах. Видно довольно вытянутое волокно (протяженность его около 3 ) на расстоянии 2 от центра туманности и большое количество «звездообразных» пятнышек, покрывающих всю площадь, занятую радиоисточником. Однако эти пятнышки отнюдь не звезды, а газообразные довольно плотные конденсации. Кроме пятнышек имеются также маленькие (до 20 ) вытянутые волокна. Некоторые из них довольно ярки, другие едва различимы. Все эти «обрывки» туманности располагаются в пределах окружности с диаметром немного больше 6 . Особенно интересны спектры отдельных конденсаций волокон. Линии излучения волокон «диффузного» вида показывают огромные лучевые скорости, доходящие почти до 8000 км/с Наоборот, звездообразные пятна сколько-нибудь значительных лучевых скоростей не обнаруживают. Вся наблюдаемая картина оптической туманности Кассиопея А может быть объяснена следующим образом. Диффузные туманности представляют собой выброшенные во время взрыва звезды облака газа, движущиеся с огромной скоростью через окружающую их межзвездную среду. Важно подчеркнуть, что химический состав быстро движущихся волокон резко отличается от химического состава межзвездной среды. Такие элементы, как кислород, сера и аргон в этих волокнах в десятки раз более обильны (по отношению к водороду), чем в межзвездной среде. Это обстоятельство означает, что выброшенный во время взрыва материал до этого претерпел сложную химическую трансформацию, обусловленную ядерными реакциями. Наблюдения последних 20 лет показали, что эти волокна весьма нестабильны: они появляются как бы в «пустом» пространстве, существуют десяток лет и исчезают. Большие волокна иногда распадаются на малые, причем относительные скорости отдельных частей крупных волокон весьма велики. Вообще, многое в природе физических процессов, происходящих в волокнах Кассиопеи А, пока остается еще не ясным.

Из наблюдаемой скорости расширения систем волокон Кассиопеи А можно получить возраст этого объекта. Оказывается, что взрыв звезды, явившийся причиной образования Кассиопеи А, произошел около 1667 г. (примерно между 1659 и 1675 г.). Представляется удивительным, почему европейские астрономы, которые так успешно наблюдали почти за столетие до этого Новые Тихо и Кеплера, решительно ничего не заметили в созвездии Кассиопеи. Почему же это так получилось? Почему «прозевали» вспышку этой сверхновой в эпоху, когда в Европе уже были обсерватории? Конечно, видимая яркость звезды зависит не только от мощности ее излучения, но и от расстояния до нее. Каково же расстояние до Кассиопеи А?

Первая надежная оценка расстояния до этого источника была получена радиоастрономическим методом. Метод основывается на изучении линии поглощения в радиоспектре источника на волне 21 см. Эта линия образуется в результате поглощения радиоизлучения межзвездными атомами водорода. Так как последние концентрируются преимущественно в спиральных рукавах Галактики, которые имеют друг относительно друга разные скорости, то это отразится на «профиле» линии, которая разобьется на несколько компонент, соответствующих водородному поглощению в различных рукавах. Так как в направлении на Кассиопею А существуют три спиральных рукава, а профиль линии поглощения состоит из двух резко выраженных провалов интенсивности, то сразу же можно сделать вывод, что источник радиоизлучения расположен где-то между вторым и третьим рукавом спиральной структуры (рис. 16.7), откуда следует, что расстояние до него около трех тысяч парсек (т. е. около десяти тысяч световых лет). Такое же расстояние получается из сравнения наблюдаемой скорости «расползания» волокон туманности по небесной сфере (они, естественно, определяются в угловых единицах, например, секундах дуги в год) со скоростью волокон по лучу зрения, определяемой из измеренного доплеровского смещения спектральных линий.

Итак, расстояние до Кассиопеи А около 3000 пс. Если бы не было межзвездного поглощения света, видимая величина вспыхнувшей сверхновой (абсолютная величина которой, как можно полагать, была около -20m ; см. § 15) была бы -7m , т. е. она должна была казаться, пожалуй, даже ярче, чем сверхновая 1054 г., так поразившая китайцев, японцев и, возможно аборигенов Северной Америки. Чтобы такое удивительное явление, случившееся в области неба, которая никогда не опускается под горизонт, было бы не замечено, следует принять, что поглощение света должно быть как минимум 7—8 величин (т. е. больше, чем в 1000 раз), и еще дополнительно предположить, что в то время над всей Европой стояла несколько недель подряд ненастная погода, которая как раз случилась тогда, когда сверхновая была в максимуме своего блеска... Конечно, в принципе это может быть. Но поглощение света в направлении Кассиопеи А хотя и велико, но не настолько: около 4,3 звездной величины. О возможной причине ненаблюдаемости этой сверхновой см. § 18.

Выше уже упоминалось, что, кроме быстро движущихся волокон, в Кассиопее А наблюдаются почти стационарные конденсации. Скорее всего, эти конденсации представляют собой сжатый ударной волной межзвездный газ. Похоже, однако, на то, что химический состав этих конденсаций не совсем обычен: азот там аномально обилен по отношению к кислороду. Если это так, то остается только считать, что ударная волна от взрыва распространялась уже не по межзвездной среде, а по оболочке, «вытекшей» из звезды, которая взорвалась как сверхновая. Таким образом, все особенности весьма своеобразного остатка сверхновой Кассиопеи А объясняются молодостью этого объекта.

В 1966 г. было обнаружено рентгеновское излучение от Кассиопеи А. В отличие от рентгеновского излучения от других, гораздо более «старых» остатков сверхновых, рентгеновское излучение от Кассиопеи А значительно жестче. Как мощность, так и спектр рентгеновского излучения Кассиопеи А естественно объясняется теорией, развитой выше. Заметим в этой связи, что в окрестностях Кассиопеи А плотность межзвездного газа повышена (Ne 10—20 см-3), что обеспечивает необходимую мощность рентгеновского излучения, которая пропорциональна Ne 2R3, где R — радиус туманности. Большая жесткость теплового рентгеновского излучения от Кассиопеи А объясняется огромной температурой ( 3 107 К) плазмы за фронтом волны, что в свою очередь объясняется большой скоростью расширения этой туманности, т. е. в конечном результате — ее молодостью.

Перейдём теперь к основному вопросу о природе радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых. В настоящее время обнаружено радиоизлучение практически от всех ионизованных газовых туманностей, как «диффузных», так и планетарных. Однако это излучение, если можно так выразиться, носит тривиальный характер. Оно является чисто тепловым, и его интенсивность и спектр определяются известным законом Кирхгофа:

где I  — наблюдаемая интенсивность, B (T) = 2kT/ 2 — интенсивность излучения абсолютно черного тела,  — коэффициент поглощения на данной частоте, l — протяженность источника в направлении луча зрения. Величина l носит название «оптической толщи». При достаточно большой оптической толще

т. е. вне зависимости от физических свойств источника она будет иметь некоторое совершенно определенное значение, зависящее только от частоты и температуры излучающего ионизованного газа. Если 1, то формула (16.5) примет вид

так как Ne 2T-1 / 2 . Характерно, что в этом случае интенсивность излучения не зависит от частоты. Сам элементарный акт излучения сводится к «столкновениям» между электронами и ионами, движущимися с тепловыми скоростями. Тепловое радиоизлучение от областей Н II межзвездной среды, о котором речь шла в § 2, объясняется именно таким способом.

Уже один взгляд на спектр туманностей — остатков вспышек сверхновых, например, Кассиопеи А, говорит о том, что их излучение ничего общего с тепловым не имеет. Последнее на ограниченном интервале изменения можно также представить степенным законом F - , где меняется в пределах от 0 до -2, между тем как у остатков сверхновых спектральный индекс положителен ( 0,5 1,0) на большом интервале изменения частот (рис. 16.8). Далее, сама величина интенсивности радиоизлучения, особенно на низких частотах, достигает огромного значения. По формуле (16.6) мы всегда можем любой интенсивности привести в соответствие некоторую температуру. Последняя носит название «яркостной температуры» (см. § 4). Оказывается, что на метровых волнах интенсивности Кассиопеи А соответствует яркостная температура в сотни миллионов кельвинов. Между тем, как это следует из формулы (16.6), в случае теплового излучения яркостная температура просто равна температуре газа, которая, как правило, порядка десяти тысяч кельвинов. Нельзя также считать наблюдаемое радиоизлучение тепловым излучением весьма горячего газа за фронтом ударной волны, распространяющейся в остатках сверхновых (см. § 15). Вычисленная на основе наблюдаемого рентгеновского излучения (которое является тепловым) интенсивность радиоизлучения, оказывается, имеет ничтожно малую интенсивность. Кроме того, не следует забывать о полном несоответствии наблюдаемых радиоспектров остатков сверхновых спектрам источников теплового радиоизлучения.

Правильная идея, объясняющая радиоизлучение остатков сверхновых (так же как и большинства других источников космического радиоизлучения), была предложена в 1950 г. шведскими физиками Альвеном и Херлофсоном и, независимо, немецким астрофизиком Кипенхойером. В последующие годы эта идея во всех деталях была разработана главным образом в СССР и доведена до уровня весьма совершенной теории. Ее применение к конкретным астрономическим объектам, в частности, к остаткам сверхновых, оказалось очень плодотворным. На основе новой теории удалось объяснить большое количество астрономических наблюдаемых фактов и предсказать ряд новых, которые полностью подтверждались специально поставленными наблюдениями. Что же это за теория?

Из физики уже давно известно, что если электрон движется во внешнем магнитном поле H, то он излучает характерную частоту H = eH/2 me c, где e — заряд электрона, me  — его масса. Это та частота, с которой электрон вращается вокруг перпендикулярных к направлению его скорости силовых линий магнитного поля. Если энергия электрона E очень велика и превосходит его энергию покоя me c2 (такой электрон называется «релятивистским»), то характер излучения претерпевает качественные изменения. Прежде всего такой электрон будет излучать не одну определенную частоту, а непрерывный спектр, т. е. огромное количество тесно примыкающих друг к другу частот, причем максимальная интенсивность его излучения будет приходиться на частоту

Со стороны низких частот, т. е. для m , интенсивность будет медленно расти с частотой как 1 / 3 , а для m круто обрываться. Другой важной особенностью излучения релятивистских электронов является его направленность. Почти все излучение релятивистского электрона будет сосредоточено внутри конуса, ось которого совпадает с направлением мгновенной скорости его движения, а угол раствора = me c2/E. Излучение такого типа давно известно физикам, работающим на ускорителях. Оно получило удачное название «синхротронного».

Для того чтобы «почувствовать» порядок входящих в формулы синхротронного излучения величин, напомним, что энергия покоя электрона me c2 = 5 105 эВ, H = eH/2 me c = 2,8 106H. Пусть в магнитном поле движется электрон с энергией E = 109 эВ, что соответствует энергии мягких космических лучей. Тогда он будет излучать непрерывный спектр, максимальная интенсивность которого будет приходиться на частоту m = 1,4 106 2H = 1013H. Если напряженность магнитного поля порядка напряженности межзвездных полей, т. е. H 10-5, то m 108 Гц, чему соответствует длина волны = 3 м. Это характерный диапазон радиоизлучения Галактики. Если бы электрон был нерелятивистским, он излучал бы только одну частоту H 30 Гц, чему соответствует длина волны около 10 000 км. Такое излучение с помощью наземных радиотелескопов наблюдать нельзя — вспомним, что ионосфера пропускает только радиоволны более короткие, чем 30 м. Да и космические радиотелескопы, которые, как можно полагать, в недалеком будущем будут установлены на специальных спутниках, такое «сверхдлинноволновое» радиоизлучение от нерелятивистских электронов вряд ли смогут зарегистрировать. Итак, самой «полезной» особенностью релятивистских электронов является их способность излучать сравнительно высокие, доступные наблюдениям частоты в очень слабых магнитных полях.

Мы рассматривали синхротронное излучение только одного релятивистского электрона с данной энергией. В действительности, как показывают результаты исследований первичных космических лучей, состоящих также из релятивистских частиц, последние распределены по энергиям по некоторому степенному закону. Этот закон имеет вид

где N(E > E0) означает число частиц в единице объема, энергия которых больше E0. Величина характеризует энергетический спектр релятивистских частиц. В предположении, что скорости релятивистских электронов ориентированы по отношению к магнитному полю случайным образом, теоретическим путем можно получить формулу, дающую значение интенсивности и спектр синхротронного излучения от множества релятивистских частиц, энергетический спектр которых дается выражением (16.9). Эта важная формула имеет вид

где u( ) — числовой множитель порядка единицы, l, как и раньше, означает протяженность области, где движутся релятивистские электроны, по лучу зрения;  — длина волны излучения. Если подставить вместо последней частоту, воспользовавшись соотношением = c/ , то мы сразу же увидим, что формула (16.10) дает степенной спектр синхротронного излучения в полном согласии с наблюдениями. Спектральный индекс (см. (16.4)) оказывается равным

Формула (16.11), впервые полученная советским радиоастрономом А. А. Корчаком, связывает показатель степенного энергетического спектра релятивистских электронов со спектральным индексом их синхротронного излучения. Так, например, в случае Кассиопеи А = 0,8, следовательно, = 2,6 — величина, типичная для космических лучей. Можно сказать, что степенной спектр радиоизлучения остатков вспышек сверхновых отражает степенной энергетический спектр релятивистских частиц, ответственных за наблюдаемое радиоизлучение.

Таким образом, мы подошли к важнейшему выводу: в расширяющихся туманностях — остатках вспышек сверхновых звезд — содержится огромное количество релятивистских частиц, т. е., другими словами, космических лучей! Впервые открылась возможность наблюдать первичные космические лучи (точнее, их электронную компоненту) не у поверхности Земли, а в глубинах Галактики и даже Вселенной, ибо радиоизлучение галактик и открытых в 1963 г. квазаров имеет синхротронную природу. Установление этой возможности, открывшей новую эру в изучении космических лучей, пожалуй является одним из важнейших достижений радиоастрономии.

Применяя теорию синхротронного излучения к реальным источникам (например, остаткам вспышек сверхновых), можно найти полное количество находящихся там релятивистских электронов и их энергию, а также напряженность магнитного поля. При этом поступают следующим образом. Прежде всего надо иметь в виду, что в источниках радиоизлучения наряду с электронами должны быть и другие релятивистские частицы, главным образом протоны. Тяжелые релятивистские частицы, однако, практически не излучают, так как их масса слишком велика. Поэтому в радиоисточниках создалась своеобразная ситуация: из всех имеющихся там релятивистских частиц благодаря их синхротронному излучению можно было наблюдать только электроны. Однако в последние годы, благодаря успехам внеатмосферной гамма-астрономии, выявилась возможность наблюдать и протонную компоненту космических лучей. Прогресс в этой важной области связан с успешной работой специализированных спутников «SAS-2» и «Cos-B», на которых детально исследовалось обнаруженное незадолго до этого на ракетах жесткое космическое гамма-излучение с энергией квантов E > 15 МэВ. Оказалось, что это излучение распределено по небу в виде полосы шириной около 3°, тянущейся вдоль галактического экватора на расстояние ±60°от галактического центра, находящегося в Стрельце. Из спектра этого жесткого излученияИзлучение!жесткое@«жесткое» следует, что существенная его часть обусловлена распадом «пи-ноль» ( 0) мезонов на два гамма-кванта, причем сами 0-мезоны образуются в результате столкновения релятивистских протонов, входящих в состав первичных космических лучей, с ядрами атомов межзвездного газа. Это как раз и означает, что гамма-астрономия, наряду с радиоастрономией, является весьма эффективным методом изучения первичных космических лучей в местах их локализации (т. е. в Галактике).

Анализ распределения интенсивности космического гамма-излучения по небу позволяет сделать вывод, что первичные космические лучи концентрируются к рукавам спиральной структуры Галактики, где их плотность почти в три раза больше, чем в окрестностях Солнца (расположенного, как известно, между рукавами). Интересно, что на гамма-спутниках было обнаружено значительное повышение интенсивности космического гамма-излучения в области галактических долгот 260°—270°. Важно отметить, что в этой области неба находится один из ближайших к нам (r = 450 пс) остатков вспышки сверхновой. Сейчас уже доказано, что упомянутая деталь распределения интенсивности космического гамма-излучения связана с этим остатком, хотя при таком отождествлении были определенные трудности. Гамма-астрономия только начинает развиваться, и, несомненно, мы будем свидетелями новых выдающихся открытий в этой области.

Обозначим энергию всех релятивистских частиц, содержащихся в единице объема (т. е. плотность энергии этих частиц) через Wp. Тогда плотность энергии релятивистских электронов можно представить как We = kWp, где величина k меньше единицы. Трудность проблемы состоит в том, что значение k, как правило, весьма неопределенно. Из анализа состава первичных космических лучей, наблюдаемых в непосредственной близости от Земли, следует, что k 0,01. Заметим, в этой связи, что поиски релятивистских электронов в космических лучах были предприняты как раз в связи с успехами приложения синхротронной теории к радиоастрономии. Однако ниоткуда не следует, что величина k во всех источниках, в частности, в остатках вспышек сверхновых, должна быть такая же, как и в окрестностях Земли. Более того, в § 17 мы приведем аргументы в пользу того, что в Крабовидной туманности основную часть релятивистских частиц должны составлять электроны и позитроны. При расчетах, за неимением лучшего, обычно делаются два предположения: k = 0,01 и k = 1. К счастью, на основных выводах, касающихся природы остатков сверхновых, такая неопределенность в значении k отражается не очень сильно.

Существенным является то обстоятельство, что плотность энергии релятивистских частиц Wp не может превышать плотность энергии магнитного поля Wм, которая, как известно, равна H2/8 . В противном случае магнитное поле не сможет удерживать релятивистские частицы длительное время и они со скоростью, близкой к скорости света, разлетятся по всем направлениям. С другой стороны, вполне может быть такая ситуация, когда Wм > Wp. Математически условие удержания релятивистских частиц магнитным полем запишется так:

Можно показать, что если Wм Wp, то полная энергия релятивистских частиц вместе с энергией магнитного поля достигает минимума. Поэтому при расчетах, как правило, применяют дополнительное условие (16.12) и, таким образом, находят нижнюю границу энергий релятивистских частиц и поля в источнике. Похоже на то, что для большинства радиоисточников выполняется условие H2/8 = Wp.

Распределение интенсивности у протяженных радиоисточников — остатков вспышек сверхновых, довольно сложно. На рис. 16.9 приведено «радиоизображение» туманности Кассиопея А, полученное с помощью радиоинтерферометра с хорошей разрешающей способностью. Хотя структура радиоизображения, приведенная на рис. 16.9, довольно сложна и изобилует большим количеством деталей (там видно по крайней мере 10 маленьких конденсаций), в целом она имеет явно выраженный «оболочечный» характер. Радиоизлучение сосредоточено на периферии некоторого сфероидального объема, причем толщина радиоизлучающего слоя составляет несколько десятых его радиуса. Последний легко оценить из измеренного углового радиуса (около 2 ,5) и расстояния до Кассиопеи А, которое, как мы видели, составляет около 3000 пс. Оказывается, что радиус сфероидального объема, заполненного по периферии релятивистскими частицами, немного превосходит 2 пс. На рис. 16.10 приведены более грубые радиоизображения «старых» остатков сверхновых, полученные с меньшей разрешающей способностью. И в этом случае отчетливо видна оболочечная структура радиоисточников. Следует, однако, подчеркнуть, что все эти оболочки имеют весьма неправильную структуру. Линейные размеры оболочек можно определить по их известным угловым размерам, если знать расстояния до них. В случае системы волокнистых туманностей в Лебеде (см. рис. 16.2) расстояние надежно определяется по измеренным лучевым скоростям волокон и скорости их «расползания» по небу, выраженной в секундах дуги за год (см. § 15). Отсюда следует, что радиус этого источника около 20 пс, т. е. в десять раз больше, чем радиус Кассиопеи А. У других источников, радиоизображения которых приведены на рис. 16.6, радиусы получались по расстояниям, найденным радиоастрономическим методом, о котором речь будет идти ниже. Для большинства таких источников радиусы близки к 10 пс.

Теперь в нашем распоряжении имеются все необходимые данные, чтобы определить энергию релятивистских частиц в остатках вспышек сверхновых и величину имеющегося там магнитного поля. Необходимая для расчетов интенсивность радиоизлучения может быть получена из измеренного значения потока и угловых размеров. Если в пределах данных угловых размеров интенсивность (т. е. яркость) остается постоянной, то приближенно будем иметь

где  — телесный угол, под которым видна данная деталь источника, F  — поток от этой детали. Зная F для всех деталей, можно найти I для каждой из них, а потом, после суммирования,— полную энергию релятивистских частиц в источнике. Одновременно получается распределение магнитного поля в его пределах. Для грубых расчетов можно даже совсем не обращать внимание на структуру изображения источника, считая его объектом постоянной интенсивности, которую в этом случае можно определить также по формуле (16.13). В этом случае F означает измеренный поток от всего источника, а  — телесный угол, под которым он виден.

В случае Кассиопеи А при k = 1 вычисления дают значение We = 2 1048 эрг. Этой же величине равна, по условию, энергия WH магнитного поля в источнике, откуда H = 2,5 10-4 эрстед. Если же, в окрестностях Земли или в источнике Паруса X, релятивистские электроны составляют только один процент от полной энергии релятивистских частиц, т. е. k = 0,01, то значение Wp увеличивается, согласно расчетам, в семь раз, в то время как напряженность магнитного поля вырастет в 2,7 раза. Следовательно, в этом случае Wp 1049 эрг, а H 7 10-4 Э. Обратим внимание на огромную величину энергии релятивистских частиц, заключенных в области остатков вспышки сверхновой. Она почти равна всей энергии, которая была излучена за время вспышки звезды. Значение магнитного поля в оболочке сверхновой также довольно велико: оно в сотню раз превышает величину межзвездного магнитного поля.

Аналогичные вычисления, выполненные для других, более «старых» остатков вспышек сверхновых, дают сходные значения Wp 1048 эрг и заметно меньшие значения напряженности магнитного поля. Так, у источника, связанного с волокнистыми туманностями в Лебеде, при k = 1 We = Wp = 2,5 1048 эрг, H 2 10-5 Э, а при k = 0,01 We = 1,7 1049 эрг, H = 5 10-5 Э. Итак, релятивистские частицы и магнитные поля являются весьма существенным атрибутом остатков вспышек сверхновых, во многих отношениях определяющим эволюцию этих объектов. Это, в частности, связано с большой ролью, которую играет в динамике остатков давление магнитного поля и релятивистских частиц. Взаимодействие последних с плазмой, присутствующей в остатках вспышек, осуществляется через магнитное поле: релятивистские частицы оказывают давление на силовые линии магнитного поля, а последнее управляет движением плазмы.

Мы видим, что физические условия в оболочках — остатках вспышек сверхновых определяются сложным переплетением взаимодействий космических лучей, магнитных полей, очень горячей плазмы, образующейся за фронтом ударной волны, и погруженных в эту плазму плотных, сравнительно холодных газовых волокон. Таким образом, синхротронная теория полностью объяснила все особенности радиоизлучения остатков сверхновых. В частности, стала понятной наблюдаемая линейная поляризация радиоизлучения от Кассиопеи А, волокнистых туманностей в Лебеде и родственных объектов — остатков вспышек сверхновых. Эта поляризация достигает значительной величины, доходя в отдельных деталях до десятка процентов. Заметим, что тепловое радиоизлучение в условиях сравнительно слабых магнитных полей не может быть сколько-нибудь заметно поляризовано. Между тем синхротронное излучение, как можно понять, почти всегда должно быть поляризовано, так как в излучающем объекте всегда имеется физически выделенное преимущественное направление, связанное с магнитным полем! Только в тех случаях, когда магнитные поля в источнике распределены хаотично, причем масштаб однородностей поля намного меньше размеров источника, поток синхротронного излучения от последнего почти не будет поляризован. Объяснение поляризации источников космического радиоизлучения есть большое достижение синхротронной теории.

Однако любая теория только тогда может быть признана правильной, когда исходя из нее можно предсказать совершенно новое явление, которое после этого наблюдается. В истории астрофизики и радиоастрономии большую роль сыграло предсказание поляризации оптического излучения Крабовидной туманности, которое блестяще подтвердилось наблюдениями. Это предсказание было сделано на основе истолкования давно известного оптического излучения этой туманности как синхротронного, о чем подробно речь будет идти в следующем параграфе. Сейчас мы рассмотрим другое следствие синхротронной теории, позволяющее сделать важное предсказание, которое было подтверждено на опыте.

Остатки вспышек сверхновых представляют собой неограниченно расширяющиеся объекты, в конце концов рассеивающиеся в межзвездной среде. Туманность Кассиопея А, которая достаточно подробно описывалась выше, является молодым объектом. Облака газа, выброшенные при вспышке сверхновой, только едва начинают тормозиться межзвездной средой. Они почти полностью сохранили свою первоначальную скорость, приобретенную, во время взрыва. Наоборот, такие объекты, как волокнистые туманности в созвездии Лебедя, IС 443 и аналогичные им, представляют собой достаточно старые остатки вспышек сверхновых. Их линейные размеры в 5—10 раз превышают линейные размеры Кассиопеи А. Скорость их расширения сильно упала. Наконец, и это, пожалуй, самое интересное — мощность их радиоизлучения значительно меньше, чем мощность радиоизлучения Кассиопеи А. Мощность источника пропорциональна произведению квадрата расстояния до него на величину потока. Так как расстояние до волокнистых туманностей в Лебеде почти в четыре раза меньше, чем до Кассиопеи А, а поток радиоизлучения почти в сто раз меньше, то мощность радиоизлучения Кассиопеи А оказывается в полторы тысячи раз больше, чем у такого «старого» объекта, как волокнистые туманности в Лебеде! Таким образом, мы приходим к чисто эмпирическому выводу, что по мере расширения остатка вспышки сверхновой мощность его радиоизлучения сильно уменьшается. Еще в большей степени уменьшается поверхностная яркость «старых» остатков. Например, поверхностная яркость радиоисточника, связанного с волокнистыми туманностями, в сотню тысяч раз меньше, чем Кассиопеи А.

Между тем количество релятивистских электронов, ответственных за синхротронное излучение этих объектов, практически не уменьшается в течение их эволюции. Ведь релятивистские частицы как бы «заперты» в сдерживающем их запутанном магнитном поле, накрепко привязанном к расширяющимся газовым волокнам. По какой же причине происходит столь разительное уменьшение мощности и интенсивности радиоизлучения остатков вспышек сверхновых по мере их эволюции?

Этот вопрос исследовался автором настоящей книги в 1960 г. Оказывается, что по мере расширения радиотуманности должна уменьшаться напряженность магнитного поля. Можно ожидать, что в процессе расширения сохраняется значение магнитного потока, т. е. произведение квадрата радиуса радиотуманности на среднюю величину магнитного поля. Если это так, то магнитное поле такого объекта по мере его расширения должно меняться в первом приближении как R-2, где R — радиус радиотуманности. Есть еще две причины, ведущие к уменьшению мощности радиоизлучения. Первая состоит в том, что в процессе расширения области, в которой заключены релятивистские электроны, каждый из них уменьшает свою энергию обратно пропорционально радиусу области. Это явление вполне аналогично охлаждению газа при его расширении. Кроме того, будет непрерывно уменьшаться угол между направлением движения релятивистских электронов и магнитного поля. Так как для синхротронного излучения имеет значение только составляющая магнитного поля, перпендикулярная к направлению движения электрона (например, если релятивистский электрон будет двигаться строго вдоль поля, он ничего излучать не будет), то это явление равносильно дополнительному уменьшению магнитного поля, что также приведет к уменьшению мощности синхротронного излучения остатков вспышек сверхновых.

Таким образом, есть несколько достаточно серьезных причин для непрерывного уменьшения мощности синхротронного излучения радиотуманностей по мере их расширения. Учет всех этих причин позволяет получить следующую простую формулу для зависимости мощности эволюционирующего источника синхротронного излучения от радиуса радиотуманности на адиабатической фазе расширения последней:

где, как и раньше, означает спектральный индекс источника. Средняя поверхностная яркость расширяющегося радиоисточника должна убывать по более «крутому» закону:

Эта формула в первом приближении вполне удовлетворительно описывает уменьшение потока и яркости радиоизлучения от расширяющихся остатков вспышек сверхновых. Из нее, например, следует, что когда в процессе расширения линейные размеры Кассиопеи А станут равны современным размерам системы волокнистых туманностей в Лебеде, мощность ее синхротронного излучения упадет во много тысяч раз. Наоборот, когда остатки сверхновой, связанные с тонковолокнистыми туманностями в Лебеде, имели размеры современной Кассиопеи А, то принимая во внимание, что для этого источника = 0,47, мощность его радиоизлучения должна была быть в несколько раз больше, чем у современной Кассиопеи А.

Таким образом, теория предсказывает, что потоки радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых должны непрерывно убывать. Допустим теперь, что расширение источника происходит с постоянной скоростью, что справедливо для молодых, еще не затормозившихся источников, к числу которых принадлежит Кассиопея А. В таком случае радиус источника пропорционален его возрасту и мы можем переписать формулу (16.14) в виде

так как поток F пропорционален мощности L , а расстояние r до источника за время его эволюции не меняется.

Обозначим годичное уменьшение потока от такого источника через F . Тогда не представляет труда получить выражение для относительного уменьшения потока за год:

где T — возраст источника, выраженный в годах. Для Кассиопеи А = 0,8, а T 300 лет, откуда F /F 1,7% в год, т. е. ожидаемое «вековое» уменьшение потока от Кассиопеи А должно несколько превышать 1,5% в год! Это очень большая, а главное — вполне измеримая величина. Таким образом, последовательное применение теории синхротронного излучения к Кассиопее А позволило предсказать, что этот самый яркий радиоисточник на небе должен как бы «таять» на глазах! Сразу же после опубликования этого предсказания в 1960 г. английские радиоастрономы повторили наблюдение Кассиопеи А на том же старом телескопе, на котором был в 1948 г. обнаружен этот замечательный источник. Использование для разновременных наблюдений одного и того же инструмента и тождественной методики значительно уменьшает неизбежные ошибки измерения. Результаты этих наблюдений невольно поразили воображение: за время с 1948 по 1960 г. поток от этого ярчайшего источника уменьшился почти на 15%! Годичное изменение потока оказалось равным 1,1 ± 0,14%. В последующие годы такие измерения неоднократно повторялись. Разные авторы дают значение F /F от 1,1 до 1,7% в год. Скорее всего, эта величина близка к 1,2% в год, что на 30% меньше теоретического значения, полученного из формулы (16.17). Следует, однако, иметь в виду, что эта формула получена при упрощающем предположении, что R t, т. е. туманность совершенно не тормозится. Между тем имеются определенные наблюдательные доказательства, что торможение волокон Кассиопеи А межзвездной средой уже началось. Так, например, положительные лучевые скорости волокон этой туманности систематически больше отрицательных, что означает, что обращенная к нам часть оболочки уже начала тормозиться. Учет этого обстоятельства уменьшает величину F /F до наблюдаемого значения 1,2% в год. Через 30 лет поток радиоизлучения от Кассиопеи А уменьшится почти в 1,5 раза, а в середине прошлого века он превосходил современное значение почти в 10 раз! Жалко, правда, что тогда не было радиоастрономии...

Обнаружение предсказанного теорией быстрого уменьшения потока радиоизлучения от Кассиопеи А есть прямое доказательство правильности синхротронной теории и всех ее выводов. У других, более «старых» радиоисточников — остатков вспышек сверхновых — вековое уменьшение потока обнаружить пока нельзя: слишком медленно меняется их радиус.

Несколько лет назад американские радиоастрономы подтвердили наблюдения горьковских радиоастрономов Станкевича и Цейтлина, установивших, что по мере расширения Кассиопеи А меняется не только ее поток, но и спектр. Последний становится все более «плоским». При таком изменении за время 1000 лет спектральный индекс Кассиопеи А уменьшится почти вдвое и станет близким к спектральному индексу «старых» остатков. Причина этого интересного явления пока неясна. Скорее всего она связана с молодостью источника Кассиопея А, вследствие чего в нем еще продолжается процесс ускорения релятивистских частиц (см. ниже). На рис. 16.11 приведена зависимость поверхностных яркостей остатков от их радиусов для всех объектов с хорошо известными расстояниями. Хорошо видно, что эта зависимость может быть представлена степенным законом, хотя и более пологим, чем при = 0,8. Эмпирически получена зависимость

Нас не должно смущать, что эмпирический закон убывания радиосветимости по мере роста радиуса более пологий, чем теоретический, описываемый формулой (16.15). Во-первых, не все туманности находятся на адиабатической стадии расширения, во-вторых, спектральные индексы большинства туманностей сравнительно невелики.

Полученной эмпирической зависимостью (16.18) мы воспользуемся для того, чтобы развить новый метод определения расстояний до остатков вспышек сверхновых, которые другими методами определить либо невозможно, либо весьма затруднительно. Этот метод носит статистический характер и по идее вполне аналогичен нашему методу определения расстояний до планетарных туманностей, который был предложен в 1956 г. и вскоре стал общепризнанным. В обоих случаях светимость объектов довольно быстро уменьшается с ростом их линейных размеров по мере расширения. Поэтому разница в размерах разных объектов относительно невелика и в первом приближении расстояние будет обратно пропорционально угловым размерам . Так же, как и в случае планетарных туманностей, различие в линейных размерах радиотуманности учитывается множителем, зависящим от измеренной их интенсивности (или поверхностной яркости). Кроме того, в окончательную формулу войдут такие характеристики взрыва сверхновой, как выделившаяся полная энергия E и первоначальное магнитное поле H0 в оболочке. Эти характеристики вполне аналогичны массе выброшенной оболочки у планетарных туманностей. Окончательно формула для расстояний до радиотуманностей имеет вид

где показатель зависимости L R- принят равным трем. В настоящее время эта формула (или ее видоизменения) является основной при определении расстояний до радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых, известное число которых уже перевалило за сотню.

Зная расстояния до остатков сверхновых, можно оценить полное количество таких объектов в Галактике. Это количество оказывается порядка 500, причем свыше 100 непосредственно наблюдаются и занесены в каталоги. Так как средний возраст таких остатков близок к 20 000 годам (см. начало этого параграфа), то отсюда можно оценить среднюю частоту вспышек сверхновых в Галактике: примерно одна вспышка за сорок лет.

Из всех остатков сверхновых выделяется один замечательный объект, природа которого, правда, еще окончательно не установлена. Речь идет о знаменитом галактическом «шпуре». Это смешной «перевод» на русский язык английского слова «spur», что попросту означает ... «шпора».

Уже первые радионаблюдения Галактики, выполненные на заре радиоастрономии, выявили в распределении радиояркости по небу одну очень крупную деталь. Известно, что интенсивность космического радиоизлучения имеет значительную концентрацию к галактическому экватору и центру. Однако в 30° от центра из области галактического экватора почти перпендикулярно к нему отходит довольно яркая, сравнительно узкая полоса радиоизлучения, которая тянется на огромное расстояние почти до северного галактического полюса и, описав гигантскую петлю, возвращается обратно к галактическому экватору. В целом «шпур» представляет собой на небесной сфере малый круг диаметром около 110°. Спектр «шпура» указывает на то, что его излучение имеет синхротронную природу. Никаких протяженных, даже очень слабых оптических объектов в области «шпура» не обнаружено.

В разное время предлагалось несколько гипотез, в которых содержались попытки объяснения природы этой весьма значительной детали радиоизлучения Галактики. Наиболее интригующей является гипотеза, согласно которой «шпур» — это не что иное, как остаток вспышки сверхновой, имевшей место несколько десятков тысяч лет назад. Так как поверхностная яркость радиоизлучения «шпура» примерно такая же, как .у радиотуманности, связанной с волокнистыми туманностями в Лебеде, линейный диаметр «шпура» при такой интерпретации должен быть около 35—40 пс. Следовательно, вспышка сверхновой произошла очень близко от Солнца — всего лишь на расстоянии около 25 пс. Это могло случиться примерно 20 000 лет назад — на памяти кроманьонского человека...

Серьезным доводом в пользу гипотезы о «сверхновой» природе «шпура» явилось уверенно обнаруженное мягкое рентгеновское излучение во всей его полосе. Мы уже знаем, что такое рентгеновское излучение является важнейшим атрибутом старых остатков вспышки сверхновых. Отсутствие оптических тонковолокнистых туманностей в области «шпура» не должно рассматриваться как серьезный аргумент против обсуждаемого объяснения его природы. Оптические остатки сверхновых отличаются большим разнообразием. В сущности, мы пока еще плохо представляем, как образуются удивительно тонкие газовые волокна в ударной волне, распространяющейся в межзвездной среде после вспышки сверхновой. Имеется, однако, один важный аргумент против такой интерпретации: никакого повышения интенсивности жесткого гамма-излучения в области «шпура» не обнаружено. Это означает, что релятивистских протонов там мало. И все же представляется весьма вероятным, что около 20 000 лет назад в окрестностях Солнца произошла вспышка сверхновой. Это очень маловероятное событие, так как в среднем такое событие должно происходить один раз в несколько миллионов лет. Как же выглядело это явление с точки зрения «кроманьонского наблюдателя»? Прежде всего он видел необыкновенно яркую звезду, видимая величина которой около -17. Освещенность, создаваемая на Земле этой звездой, в сто раз превосходила освещенность от полной Луны, хотя все же была в десять тысяч раз меньше, чем от Солнца. Так как во время максимума блеска цветовая температура сверхновой II типа около 40 000 К, то основное ее излучение было сосредоточено в ультрафиолетовой части спектра. Поток этого излучения, способного ионизовать верхние слои атмосферы Земли, был 1000 эрг/см2 с, что в тысячу раз больше, чем поток такого излучения от Солнца. Из-за этого ионизация верхних слоев атмосферы увеличилась в десятки раз. Однако это губительное для всего живого излучение до поверхности Земли не доходило. Слишком толста «броня» атмосферы нашей планеты.

Важнейшим эффектом от близкой к Солнцу вспышки сверхновой является увеличение уровня первичных космических лучей. Это произойдет тогда, когда расширяющаяся радиотуманность дойдет до Солнечной системы, которая тем самым окажется внутри нее. Из геометрии «шпура» следует, что пока это еще не случилось. Расстояние от Солнечной системы до ближайшей точки радиотуманности должно быть всего 5—10 пс, т. е. весьма незначительно. Потребуется еще несколько десятков тысяч лет, чтобы мы оказались внутри радиотуманности. Что же при этом произойдет? Ничего особенного: интенсивность мягкой компоненты первичных космических лучей увеличится в несколько раз — и только.

Значительно более серьезные последствия для Земли имели бы место, если бы вспышка сверхновой произошла ближе, чем в 10 пс от нас. В этом случае плотность космических лучей может возрасти в десятки раз. Заметим, что такие события в истории нашего Солнца случались очень редко: примерно один раз в сотню миллионов лет. Увеличение плотности космических лучей в окрестностях Солнца будет длиться пару десятков тысяч лет, после чего оболочка радиотуманности удалится и через сотню тысяч лет «космический фон» вернется к своему первоначальному «невозмущенному» значению.

Какие же последствия может иметь столь значительное увеличение плотности первичных космических лучей в окрестностях Солнца? Прежде всего это может (могло бы!) иметь довольно серьезные биологические (точнее, генетические), последствия для многих видов животных и растений, населяющих (или населявших) нашу планету. Известно, что эволюция видов регулируется естественным отбором, являющимся ее движущей силой. Вместе с тем, естественный отбор определяется условиями внешней среды. Неизбежно происходящие мутации сохраняются в потомстве, если они благоприятны для выживания вида. Наличие повышенной радиоактивности в приземном слое воздуха является одной из причин «спонтанных» или самопроизвольных мутаций. Значительное увеличение частоты мутаций по причине повышенной радиоактивности воздуха может повлечь за собой самые серьезные последствия для многих видов. Однако различные виды по-разному реагируют на жесткое облучение. Для видов с коротким циклом размножения для увеличения частоты мутации в два раза требуется увеличение дозы облучения в тысячу раз, в то время как для долгоживущих форм достаточно для этого увеличить дозу в 3—10 раз.

Нами совместно с В. И. Красовским довольно давно была высказана гипотеза, объясняющая известное вымирание рептилий в конце мелового периода вспышкой вблизи Солнца сверхновой звезды. В настоящее время, однако, существующих палеонтологических данных недостаточно, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту гипотезу. Следует еще заметить, что для отдельных видов животных и растений увеличение уровня жесткой радиации могло быть фактором, благоприятствующим их эволюции. Не этим ли объясняется пышный расцвет растительности в каменноугольный период? Наконец, само возникновение жизни на первобытной Земле могло стимулироваться высоким уровнем радиации.

 

Глава 17 Крабовидная туманность

Не будет преувеличением сказать, что ни один космический объект не дал астрономии столько ценнейшей, принципиально новой информации, как Крабовидная туманность. В самом деле, Крабовидная туманность была первым галактическим объектом, с которым был отождествлен источник радиоизлучения. (Это произошло в 1949 г.) Она же была первым галактическим объектом, отождествленным с источником рентгеновского излучения (1963 г.). В Крабовидной туманности впервые был обнаружен совершенно новый тип оптического излучения, дотоле неизвестный астрономам (см. ниже). До этого единственным известным астрономам видом оптического излучения было тепловое излучение звезд и туманностей. Новая интерпретация оптического и радиоизлучения в сочетании с анализом рентгеновского, гамма- и радиоизлучения впервые выявила огромное значение заряженных частиц сверхвысоких энергий и магнитного поля в динамике и эволюции многих космических объектов, главным образом метагалактических. Выяснение природы этой замечательной туманности помогло развитию современных астрофизических представлений, согласно которым в масштабе галактик, скоплений галактик и Метагалактики космические лучи играют не менее важную роль, чем «классические» компоненты материи — звезды и межзвездная среда. В самом конце 1968 г. Крабовидная туманность преподнесла астрономам очередной сюрприз: в ее центре находится самый замечательный из всех известных пульсаров. О нем будет много сказано в следующей части этой книги. Здесь мы только подчеркнем, что и в этом случае Крабовидная туманность оказалась первым известным космическим объектом, генетически связанным с пульсарами—этим совершенно новым типом населения Галактики. Автор книги ждет новых «сюрпризов» от этой так много уже «поработавшей» для астрономии туманности. В частности, он не будет удивлен, если пульсар в Крабовидной туманности окажется первым объектом, от которого будет обнаружено гравитационное излучение (см. § 24).

В последнее время считают, что Крабовидная туманность представляет собой остаток вспышки сверхновой II типа. В пользу этого вывода говорит ее сравнительно большая масса (1—2 M ) и аномально богатый гелием химический состав ее газовых волокон (см. ниже). Последнее обстоятельство указывает на то, что перед взрывом звезда, «породившая» Крабовидную туманность, прошла существенную часть своего эволюционного пути. Современные оценки первоначальной массы звезды, вспыхнувшей в 1054 г. как сверхновая, дают значение около 10 солнечных масс.

Еще в XIX веке Крабовидная туманность была объектом исследования ряда выдающихся астрономов. Однако большинство этих наблюдений были визуальными. Знаменитый английский астроном-наблюдатель лорд Росс был, пожалуй, первым, кто обратил внимание на волокнистую структуру Крабовидной туманности. Он же был «крестным отцом» этой туманности, назвав ее из-за характерной формы «Крабом». На рис. 17.1 приведена зарисовка этой туманности, сделанная Россом в 1844 г., где она действительно похожа на краба. При всей своей наивности этот рисунок вполне соответствует современным фотографиям (рис. 17.2). В частности, знаменитый «залив» этой туманности, хорошо видный на фотографии, и определяет две «клешни» «краба».

Первая фотография Крабовидной туманности была получена в 1892 г. Спектр Крабовидной туманности начал исследоваться уже в XX столетии известным американским астрономом Слайфером (1913—1915 гг.). В частности, он первым обратил внимание на раздвоение ее спектральных линий излучения (рис. 17.3), ошибочно объяснив его... эффектом Штарка, который незадолго до его наблюдения был открыт в лаборатории. Конечно, сейчас такая «интерпретация» может вызвать улыбку. Не будем, однако, слишком строги к замечательному астроному, сделавшему немалое число важных открытий: ведь в то время астрофизика была в эмбриональном состоянии. Слайфер же первым обратил внимание на яркий непрерывный спектр Крабовидной туманности, на который накладываются линии излучения. В дальнейшем ряд астрономов занимался спектроскопическими исследованиями этой туманности. Мы теперь кратко опишем ее спектр. В первом приближении он похож на спектры планетарных туманностей. Наиболее яркими линиями излучения являются характерные «запрещенные» линии ионизованных кислорода, азота и серы. Наблюдаются также более слабые линии водорода. Однако, в отличие от всех известных газовых туманностей, в том числе и планетарных, Крабовидная туманность имеет очень яркий непрерывный спектр. Конечно, и в газовых туманностях наблюдается сравнительно слабый непрерывный спектр, в частности, образующийся при одновременном излучении двух квантов (так называемый «двухфотонный процесс», на котором останавливаться здесь мы не можем). Однако в Крабовидной туманности только несколько процентов полного излучения сосредоточено в линиях, между тем как в планетарных туманностях картина совершенно обратная.

Знаменитый американский астроном-наблюдатель Бааде еще в конце тридцатых годов получил исключительно интересные фотографии Крабовидной туманности через светофильтры. На рис. 17.4 приведена фотография, полученная на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт Вилсон через фильтр, пропускающий известную красную линию водорода H и близко расположенные к ней линии ионизованного азота. Эта фотография сильно отличается от фотографий, снятых в белом свете (см. рис. 17.2). Видна изумительной красоты ажурная сеть тонких волокон, охватывающих всю туманность по ее периферии. Из этой фотографии следует, что спектральные линии излучаются не всем объемом туманности, а только сетью волокон, в то время как непрерывный спектр излучается всем объемом туманности. Структура областей, излучающих только непрерывный спектр, была получена на фотографии, снятой через специальный фильтр, в пределах «полосы пропускания» которого нет сколько-нибудь интенсивных линий излучения (рис. 17.5). Эта фотография разительно отличается от приведенной на рис. 17.4. Неспециалисту может показаться, что речь идет о двух совершенно различных объектах! Структура туманности на этой фотографии выглядит гораздо более «диффузной» или «аморфной», чем на рис. 17.4. По-разному распределены и яркие детали. Таким образом, эти фотографии доказывают, что Крабовидная туманность состоит из двух отдельных частей: «ажурной» сетки тонких газовых волокон, расположенных в виде оболочки по периферии туманности, и занимающей практически весь объем «аморфной», излучающей непрерывный спектр субстанции, природа которой многие годы оставалась загадочной.

Туманность имеет форму довольно правильного эллипса, угловые размеры которого приблизительно равны 4 6 . Обратим внимание, что вблизи центра этого эллипса находятся две слабые звездочки 16-й величины, расположенные на расстоянии около 5 друг от друга. Южная (на фотографии — нижняя) из этих звездочек сыграла выдающуюся роль в истории астрономии (см. § 19). Сама туманность имеет видимую звездную величину около 8m ,5, т. е. она излучает в тысячу раз больше каждой из описанных выше звездочек.

В 1921 г. французский астроном Лампланд из сравнений фотографий туманности, снятых через 8 лет, нашел, что в ней наблюдаются изменения. Отдельные яркие детали аморфной массы вполне заметно переместились, но распределение яркости не остается постоянным, а как бы «дышит». В течение более 30 лет эти удивительные изменения не могли быть объяснены. Это явление изменчивости деталей — уникальное свойство Крабовидной туманности. Ни у планетарных, ни у диффузных туманностей ничего подобного не наблюдается. Из известного расстояния до «Краба» (см, дальше) и углового смещения деталей за 8 лет можно было сделать вывод, что отдельные части туманности движутся со скоростью, близкой к 0,1 скорости света — величина фантастически большая! Ввиду полной, как казалось, иррациональности этого явления астрономы просто не занимались им. Природа этих вариаций стала ясной, когда был наконец понят механизм оптического излучения Крабовидной туманности, о чем речь будет идти дальше.

Значительно медленнее меняется расположение газовых волокон туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 30 лет, позволили установить, что вся система волокон расширяется. Она как бы «расползается» по небу с угловой скоростью около 0 ,23 в год. С другой стороны, угловой радиус туманности составляет около 180 . Отсюда непосредственно следует, что возраст туманности, полученный в предположении, что скорость ее расширения все время оставалась постоянной, почти в точности равен 800 годам. Это, конечно, близко к возрасту, отсчитываемому от момента вспышки сверхновой (930 лет), но все же меньше его. Отсюда следует важный вывод, что движение волокон Крабовидной туманности происходит ускоренно. Только выяснение природы излучения «аморфной» массы Крабовидной туманности позволило объяснить причину ускорения ее волокон (см. ниже).

Перейдем теперь к анализу спектральных наблюдений «Краба». Найденное еще Слайфером раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности было подтверждено дальнейшими исследованиями. На рис. 17.3 приведен спектр при ориентации щели спектрографа вдоль большой оси туманности. Хорошо видно, что яркие линии излучения в центре туманности раздвоены, в то время как на краях туманности раздвоения линий нет. Линии имеют как бы «клочковатый» вид, что объясняется волокнистой структурой излучающих эти линии областей туманности. Своеобразная «дуговая» форма раздвоенных линий со всей наглядностью доказывает, что причиной раздвоения является расширение системы излучающих эти линии газовых волокон. В центральной области диска туманности волокна при своем расширении движутся на нас и от нас. Первые, из-за эффекта Доплера, будут излучать линии, смещенные к фиолетовому краю спектра, вторые — к красному. Напротив, на краях туманности направление движения волокон почти перпендикулярно к лучу зрения. Поэтому значительного смещения длин волн наблюдаться не будет. Из измерения расстояния между компонентами раздвоенных линий можно получить скорость расширения системы волокон, которая в среднем около 1200 км/с. Зная угловую скорость «расплывания» волокон в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения (0 ,23 в год) и линейную скорость расширения, можно определить расстояние до Крабовидной туманности, которое, с учетом ее эллипсоидальной формы, оказывается близким к 1700 пс. Это значение хорошо согласуется с оценкой видимой величины «звезды-гостьи» 1054 г. С учетом поглощения света получается, что абсолютная величина этой звезды в максимуме была около -18m , что близко к абсолютной величине сверхновых.

По измеренным лучевым скоростям волокон и их «собственным движениям» на небесной сфере можно построить грубую пространственную модель Крабовидной туманности, приведенную на рис. 17.6. Причудливо переплетающаяся сеть газовых волокон этой туманности как бы «окаймляет» аморфную массу, находясь на ее периферии. Анализ относительных интенсивностей спектральных линий излучения и их ширин позволяет понять картину физических условий в газовых волокнах. Оказывается, что для отдельных волокон электронная концентрация меняется в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч на кубический сантиметр, в то время как температура газа близка к 20 000 К. Химический состав волокон, насколько это можно судить по их спектрам, отличается от состава других газовых туманностей довольно значительно. Имеются все основания полагать, что в «Крабе» относительное обилие гелия выше приблизительно в пять раз, причем для разных волокон оно меняется. Полная масса газа, находящегося в волокнах Крабовидной туманности, близка к массе Солнца.

Прежде чем перейти к анализу основной компоненты оптического излучения Крабовидной туманности с непрерывным спектром, мы должны остановиться на ее радиоизлучении. Радиоизлучение Крабовидной туманности было обнаружено в Австралии в 1949 г. Болтоном. Несомненно, что это открытие было важной вехой на пути понимания природы Крабовидной туманности. Уже первые наблюдения позволили установить существенное различие между радиоспектрами Крабовидной туманности и других известных тогда радиоисточников. Первый оказался гораздо более «пологим», чем вторые. Спектральный индекс радиоизлучения Крабовидной туманности оказался аномально малым, всего лишь 0,28. Это означает, что уменьшение потока радиоизлучения при повышении частоты происходит гораздо медленнее, чем у других источников. Так например, если на волне 3 м поток от Кассиопеи А в десять раз больше, чем от Крабовидной туманности, то на сантиметровом диапазоне ситуация уже становится обратной. Угловые размеры Крабовидной туманности в радиодиапазоне практически такие же, как и в оптическом. Следует еще подчеркнуть одно важное обстоятельство. Как мы видели в предыдущем параграфе, радиоисточники, связанные со «старыми» остатками вспышек сверхновых, имеют «оболочечную» структуру, т. е. у них радиоизлучающие области расположены на периферии. Ничего подобного в распределении радиоизлучения Крабовидной туманности не наблюдается. Источники радиоизлучения в этом случае заполняют весь объем туманности, концентрируясь к ее центру.

Большой интерес всегда представляли радиоастрономические наблюдения Крабовидной туманности во время ее покрытия Луной. Дело в том, что Крабовидная туманность, из-за ее близкого расположения к эклиптике, изредка «затмевается» движущейся по небесному своду Луной. Это открывает богатые возможности изучения распределения яркости радиоизлучения, что весьма важно, так как разрешающая способность радиотелескопов до недавнего времени была недостаточна. Находящий на туманность край Луны как бы «выключает» те или иные яркие детали, тем самым давая возможность определить их координаты с большой точностью. Покрытия Крабовидной туманности Луной происходят примерно раз в 10 лет. Во время радионаблюдений покрытия «Краба» Луной в 1964 г. было сделано одно очень важное открытие. Оказалось, что в самом центре туманности, неподалеку от «южной» звездочки, о которой речь шла выше, наблюдается источник радиоизлучения очень малых угловых размеров, во всяком случае не больше 0,1 секунды дуги. Этот источник особенно интенсивен на низких частотах. Так, например, на частоте около 25 МГц (длина волны около 12 м) он дает от 30 до 50 процентов всего потока радиоизлучения от Крабовидной туманности. На существование такого радиоисточника указывали также и более ранние наблюдения «мерцания» радиоизлучения Крабовидной туманности при ее прохождении через плазму внешней короны Солнца, что бывает ежегодно 15 июня, когда Солнце в своем видимом годичном движении по эклиптике очень близко подходит к «Крабу». Только спустя почти пять лет после этих наблюдений стало ясно, что этим малым радиоисточником является знаменитый пульсар, открытый в центре Крабовидной туманности в конце 1968 г.!

Радиоизлучение Крабовидной туманности на частотах сантиметрового диапазона обнаруживает значительную линейную поляризацию. Сам по себе этот факт является сильным аргументом в пользу вывода, что радиоизлучение Крабовидной туманности имеет «синхротронную» природу. Еще до открытия поляризации радиоизлучения в 1953 г. автор настоящей книги предложил эту теорию для объяснения радиоизлучения Крабовидной туманности. Расчет типа описанного в § 16 позволяет сделать вывод, что для объяснения наблюдаемого радиоизлучения необходимо принять, что в Крабовидной туманности имеется магнитное поле, напряженность которого около 10-3 Э. Радиоволны излучают находящиеся в Крабовидной туманности релятивистские электроны, энергия которых порядка нескольких сот миллионов электронвольт. Полная энергия магнитного поля, заключенного в Крабовидной туманности, очень велика, порядка 3 1048 эрг. Полезно сравнить эту энергию с кинетической энергией газовых волокон Крабовидной туманности, разлетающихся, как мы видели, со скоростью 1500 км/с. При массе волокон 1 массы Солнца, или 2 1032 г, получим, что их кинетическая энергия 1,5 1049 эрг, т. е. почти такая же, как энергия магнитного поля. Отсюда следует важный вывод, что магнитное поле Крабовидной туманности должно играть заметную роль в динамике расширения ее волокон — обстоятельство, к которому мы вернемся ниже.

В том же 1953 г. автор этой книги объяснил «аморфное» оптическое излучение Крабовидной туманности тем же синхротронным механизмом, который ответствен за ее радиоизлучение. Предыдущие попытки объяснения этого давно известного излучения наталкивались на большие, в сущности говоря, непреодолимые, трудности. Согласно «классической» трактовке непрерывного оптического спектра Крабовидной туманности, основанной на единственно известном тогда механизме теплового излучения горячего, ионизованного газа, следовало предположить, что в Крабовидной туманности имеется огромное количество этого газа, порядка 20—30 солнечных масс. При этом необходимо было считать, что температура такого газа исчисляется сотнями тысяч градусов, что совершенно необычно для газовых туманностей, температура которых в десятки раз ниже. Наконец, в газовых волокнах наблюдается значительно более низкая температура — порядка 10—20 тысяч кельвинов. Очень трудно себе представить, как могут такие сравнительно холодные волокна существовать, будучи окружены со всех сторон значительно более горячей плазмой той же плотности. Ведь давление «внешнего» горячего газа должно будет неограниченно их сжимать!

Представление о том, что у Крабовидной туманности оптическое излучение с непрерывным спектром, так же как и ее радиоизлучение, объясняется синхротронным механизмом, радикально снимает все эти трудности и противоречия. Ведь если в этой туманности существуют релятивистские электроны с энергиями, лежащими в интервале 108—109 эВ, то должны быть, конечно, в значительно меньшем количестве, релятивистские электроны с большими энергиями, например, в интервале 1011—1012 эВ. Так как частоты, на которых излучают синхротронным механизмом релятивистские электроны, пропорциональны квадрату их энергий (см. формулу (16.13)), то если электроны с энергией 108—109 эВ в магнитном поле H 10-3 Э излучают на частотах дециметрового и сантиметрового диапазона, электроны с энергией 1011 эВ будут излучать как раз на оптических частотах, которые в сотни тысяч раз выше. Идея, как видим, довольно простая.

Спектральная плотность потока в непрерывном оптическом спектре Крабовидной туманности почти в 400 раз меньше, чем в области радиочастот. С другой стороны, спектральная плотность потока радиоизлучения хотя и медленно, но убывает с ростом частоты. Логично было сделать вывод, что и дальше, в сторону миллиметровых и инфракрасных волн, может быть продолжено синхротронное излучение Крабовидной туманности. И, наконец, почему бы ему не тянуться еще дальше, до оптических и даже более высоких частот? Другими словами, следует ожидать единого синхротронного спектра у этой туманности, который должен тянуться от радио- до оптических и более высоких частот.

Расчеты показывают, что в Крабовидной туманности имеется единый энергетический спектр релятивистских электронов, включающий в себя как гораздо более многочисленные электроны с энергией 108 — 109 эВ, являющиеся причиной ее радиоизлучения, так и в десятки тысяч раз меньшее количество значительно более энергичных электронов с энергией порядка 1011—1012 эВ, излучающих оптические и ультрафиолетовые кванты. Концентрация последних совершенно ничтожна: один электрон на сотни кубических метров пространства! Полная же масса всех релятивистских частиц в Крабовидной туманности, если считать, что на один релятивистский электрон приходится один релятивистский протон, около 1027 г, что близко к массе земного шара! Для того чтобы попытаться количественно объяснить оптическое излучение Крабовидной туманности тепловым механизмом, нужно было предположить, что там содержится 1035 г горячего газа, т. е. в сотню миллионов раз больше вещества, чем в случае релятивистских частиц. Мы видим, как эффективен механизм синхротронного излучения: ничтожное количество релятивистских частиц обеспечивает мощное излучение туманностей в течение довольно длительного времени.

Таким образом, новая концепция превратила «аморфную» массу Крабовидной туманности в «пузырь», содержащий совершенно ничтожное (по космическим масштабам, конечно) количество вещества в форме релятивистских частиц. Помимо большого количества трудностей старой, «тепловой» теории, синхротронная теория сняла еще одну трудность, известную со времен Лампланда. Она непосредственно объяснила наблюдавшиеся этим астрономом быстрые изменения в распределении яркости «Краба» (см. выше). Ведь отдельные облака релятивистских электронов могут двигаться в пределах туманности со скоростью, составляющей заметную часть скорости света!

Снятие затруднений старой теории само по себе, конечно, очень важно. Не менее привлекательна логическая стройность и изящество новой теории. Однако все это, конечно, еще не означает, что новая теория — правильная. Чтобы теоретическое построение стало твердо установленной истиной, необходимо, основываясь на новых представлениях, предсказать такие эффекты, которые либо были до этого совершенно неизвестны, либо казались абсолютно непонятными. Мы можем считать, что последними были наблюдаемые изменения в Крабовидной туманности. Что касается совершенно новых эффектов, то и за этим дело не стало. На основании новой теории И. М. Гордон и В. Л. Гинзбург предсказали, что оптическое излучение Крабовидной туманности, если оно имеет синхротронную природу, должно быть линейно поляризовано. Этот предсказанный на основе теории эффект впервые был обнаружен советскими астрономами М. А. Вашакидзе и В. А. Домбровским в 1954 г., которые наблюдали независимо друг от друга и разными методами. Они использовали телескопы весьма скромных размеров и смогли получить только среднюю поляризацию от туманности. Поляризацию отдельных деталей «Краба» они исследовать не могли. Тем не менее их результаты оказались весьма впечатляющими. Усредненная степень поляризации оказалась близкой к 10%. Это очень большая величина. Для сравнения скажем, что поляризация света удаленных звезд, вызванная его прохождением через пылевые облака, редко превышает 1—2% и измеряется при этом вполне надежно.

Через 2 года после советских авторов поляризационные наблюдения Крабовидной туманности были проведены в США на величайшем тогда в мире 5-метровом телескопе. Уже неоднократно упоминавшийся нами американский астроном Бааде получил серию превосходных фотографий «аморфной» массы туманности (для чего был использован специальный светофильтр) через поляроиды, ориентированные по-разному. Эти фотографии, приведенные на рис. 17.7, невольно поражают воображение. Отдельные яркие детали то появляются на одной фотографии, то исчезают на другой, полученной через «перпендикулярно» ориентированный поляроид. Это означает, что свет этих деталей почти на 100% линейно поляризован. Некоторые области туманности при повороте поляроида на 90° изменяются до неузнаваемости. Создается впечатление, как будто это сняты разные туманности... Измерение негативов этих фотографий позволило для каждой точки туманности получить величину и направление поляризации света (рис. 17.8).

Согласно теории синхротронного излучения, направление поляризации должно быть перпендикулярно к направлению магнитного поля в области излучения. Сравнительно регулярный характер поляризации света Крабовидной туманности позволяет построить систему силовых линий находящегося там магнитного поля (рис. 17.9). Обращает на себя внимание то, что направление вытянутости отдельных деталей аморфной массы совпадает с направлением магнитного поля. Отсюда с наглядностью следует вывод, что отдельные сгустки релятивистских частиц как бы «растекаются» вдоль силовых линий. Магнитные силовые линии являются как бы «направляющими» для такого движения, препятствуя «расплыванию» этих частиц в перпендикулярном к полю направлении. Такая картина может наблюдаться только тогда, когда плотность энергии магнитного поля сравнима или превосходит плотность энергии релятивистских частиц. Таким образом, сам характер магнитного поля и его взаимосвязь с «аморфной» массой с предельной наглядностью демонстрирует синхротронный характер оптического излучения Крабовидной туманности.

Особого внимания заслуживает структура самой центральной части Крабовидной туманности. Эту область еще в 1942—1943 гг. тщательно исследовал Бааде, который обнаружил там удивительные изменения. Время от времени в самой центральной части туманности возникают маленькие, довольно яркие конденсации, обычно вытянутой формы, которые очень быстро движутся от места своего зарождения в направлении от центра туманности. Схема структуры самой центральной части «Краба» приведена на рис. 17.10. Два маленьких кружка означают центральные звездочки. Штриховые фигуры b и a символизируют яркие детали туманности. Деталь b почти не изменяется, чего нельзя сказать о детали a, которая меняет свое положение (по отношению к центральным звездочкам), форму и яркость. Она довольно внезапно появляется в пространстве между «нижней» из двух звездочек (которая, как это будет видно в следующей главе, оказалась пульсаром) и деталью b. Далее она движется по направлению к детали b и иногда сливается с нею. Весь описанный выше цикл длится 3—4 месяца. Если знать угловое перемещение детали a и время, в течение которого это перемещение произошло, не представляет труда получить скорость детали a, вернее, ее проекцию на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Эта скорость превышает 40 000 км/с! Очень похоже, что через центральную намагниченную область Крабовидной туманности с огромной скоростью проходит волна сжатия магнитных силовых линий. Это следует из анализа поляризации детали a, приводящего к установлению направления магнитного поля вдоль направления вытянутости этой детали. Следовательно, направление движения детали a перпендикулярно к направлению магнитного поля. Все эти удивительные явления означают, что в центральной части Крабовидной туманности наблюдается продолжающаяся до нашего времени «активность». Это было исторически первое указание на то, что остаток вспышки Сверхновой 1054 г. не «мертв», что в нем происходят какие-то огромной мощности физические процессы, приводящие к наблюдаемой очень быстрой изменчивости в центральной части Крабовидной туманности.

1963 год открыл новую страницу в истории исследования Крабовидной туманности. Весной этого года группа исследователей Морской лаборатории США, возглавляемая выдающимся американским ученым, основоположником внеатмосферной астрономии Фридманом, обнаружила рентгеновское излучение от «Краба». Эксперимент был выполнен на маленькой ракете типа «Айроби». Детектором рентгеновского излучения была «батарея» пропорциональных счетчиков фотонов общей площадью всего лишь в 65 см2. Детектор регистрировал кванты в диапазоне 1,5—8 Å. Поток оказался довольно значительным: 1,5 10-8 эрг/см2 с. Это всего лишь на порядок меньше, чем поток от самого яркого рентгеновского источника в созвездии Скорпиона, который был незадолго до этого открыт. Сейчас, спустя 20 лет, техника рентгеновской астрономии позволяет регистрировать потоки в несколько десятков тысяч раз меньшие, чем от Крабовидной туманности. Всего на небе пока обнаружено около 1000 рентгеновских источников. Одним из самых ярких является источник, отождествляемый с Крабовидной туманностью.

Сразу же после открытия этого рентгеновского источника возникла проблема: а что представляет собой этот источник? Можно было ожидать, что излучает сама Крабовидная туманность, т. е. объект, имеющий хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры порядка 5 минут дуги. Но, с другой стороны, нельзя было исключить и возможность того, что источником рентгеновского излучения является звезда, некогда взорвавшаяся как сверхновая. В таком случае угловые размеры рентгеновского источника были бы ничтожно малы, т. е. он оказался бы «точечным». Разрешающая способность рентгеновской астрономии, в данном случае — способность отличить «точечный» источник от малого, но протяженного объекта, 10 лет назад была весьма низка. Счастливое обстоятельство помогло, однако, астрономам быстро решить эту проблему. Мы уже говорили выше о том, что при исследовании распределения радиояркости Крабовидной туманности весьма эффективным оказался метод анализа радиоизлучения во время ее покрытия Луной. Аналогичный метод вполне приложим к анализу рентгеновского излучения Крабовидной туманностью. Нужно в подходящий момент во время покрытия Луной туманности запустить ракету, на которой должен находиться детектор, ориентированный на Краб. При этом должен непрерывно регистрироваться уровень рентгеновского излучения от туманности. Если источник рентгеновского излучения точечный, то в момент его покрытия краем Луны поток резко упадет до нуля. Если источник протяженный, то поток рентгеновского излучения по мере нахождения края Луны на источник будет постепенно уменьшаться.

Такой опыт по нашему предложению был осуществлен Фридманом 7 июля 1964 г. Луна закрывала туманность со скоростью около 0 ,5 за минуту времени. Максимальные угловые размеры Крабовидной туманности 6 , следовательно, полная длительность покрытия около 12 минут. Ракета могла находиться на высоте свыше 100 км (где только и можно принимать космическое рентгеновское излучение) всего лишь около 5 минут. По этой причине программа наблюдений была построена так, чтобы можно было наблюдать только центральную часть Крабовидной туманности размером в 2 . Результаты этих наблюдений представлены на рис. 17.11, где приведена зависимость показаний детектора от времени при покрытии Крабовидной туманности Луной. Из приведенной на этом рисунке кривой сразу же видно, что источник рентгеновского излучения является протяженным, так как показания детектора убывают по мере закрытия туманности Луной постепенно. На рис. 17.11 (внизу) восстановлено полученное из показаний детектора распределение яркости источника рентгеновского излучения в Крабовидной туманности. Угловые размеры его порядка 1 , т. е. значительно меньше размеров туманности в оптических лучах.

В дальнейшем было выполнено много наблюдений рентгеновского излучения Крабовидной туманности в разных спектральных диапазонах. При помощи аппаратуры, установленной на баллонах (воздушных шарах), удалось проследить жесткий спектр Крабовидной туманности вплоть до гамма-диапазона, т. е. вплоть до энергий квантов в сотни миллионов электронвольт. Напомним, что энергия квантов оптического диапазона составляет 2—3 эВ, а кванты радиодиапазона имеют энергию еще в сотни тысяч и миллионы раз меньшую. Таким образом, отношение энергий квантов крайних областей всего диапазона электромагнитных волн, принимаемого от Крабовидной туманности, составляет 1014, или сотни тысяч миллиардов. Ни один другой космический объект (включая чрезвычайно близкое к нам и потому очень яркое Солнце) не исследован в таком широком диапазоне спектра. На примере этой туманности мы можем увидеть всеволновой характер современной астрономии. Пока в спектре Крабовидной туманности остаются два «белых пятна»: а) далекая инфракрасная область, б) ультрафиолетовая область. Эти спектральные участки чрезвычайно трудны для наблюдений. Ультрафиолетовое излучение, например, сильно поглощается межзвездной средой. Тем не менее электромагнитный спектр туманности вырисовывается со всей определенностью. Он представлен на рис. 17.12, где по оси абсцисс нанесены частоты излучения (пропорциональные энергиям квантов), а по оси ординат — спектральная плотность потока.

Прежде всего видно, что спектр этот совершенно не похож на спектр теплового источника излучения любой, в частности, сколь угодно высокой температуры. Последний описывается известной формулой Планка. Качественно такой спектр представлен на рис. 17.13. Спектр Крабовидной туманности хорошо описывается степенным законом F - . Вплоть до далекой инфракрасной области спектральный индекс 0,3, т. е. очень мал. Где-то у частот 1013—1014 Гц (длины волн 10—30 мкм) происходит «перелом» спектра. Начиная с частоты 1014 Гц и вплоть до огромных частот гамма-диапазона 1024 Гц, спектральный индекс имеет постоянное значение, близкое к 1. Такой спектр однозначно доказывает синхротронную природу всего электромагнитного излучения «Краба». Прямым доказательством этого утверждения является измеренная в 1975 г. поляризация рентгеновского излучения Крабовидной туманности. Если ответственными за метровое радиоизлучение Крабовидной туманности являются релятивистские электроны с энергиями порядка сотен миллионов электронвольт, а за оптическое излучение — с энергиями 1011 эВ, то гамма-излучение вызывается движениями электронов с энергией до 1015 эВ. Все эти релятивистские электроны движутся в довольно регулярном магнитном поле этой туманности, структура которого изображена на рис. 17.9, а среднее значение напряженности близко к 10-3 Э. Мощность синхротронного излучения релятивистских электронов пропорциональна квадрату их энергии. С другой стороны, это излучение генерируется за счет энергии релятивистских электронов. По этой причине «время жизни» таких электронов (определяемых как время, в течение которого они потеряют из-за синхротронного излучения существенную часть своей первоначальной энергии) обратно пропорционально их энергии:

где H — напряженность магнитного поля, E — энергия, выраженная в миллиардах электронвольт, a t выражается в годах. Из этой формулы следует один очень важный вывод: время жизни электронов с энергией, большей чем 1011 эВ, меньше 1000 лет, т. е. возраста Крабовидной туманности. Это означает, что если бы там не было непрерывного «возобновления запаса» релятивистских электронов высокой энергии, оптическое излучение «затухло» бы через сто лет. Но это заведомо не так! Со времен Мессье, наблюдавшего эту туманность в XVIII веке, яркость «Краба» почти не изменилась. Следовательно,. в этой туманности непрерывно действует некоторый механизм «накачки» «свежих» релятивистских электронов очень высоких энергий. Что же это за механизм, какова его природа? Эта проблема встала перед астрофизикой свыше 30 лет назад. Решение ее было получено в 1968 г., когда в центре Крабовидной туманности был обнаружен пульсар (см. § 19).

Характерный излом спектра Крабовидной туманности у 1 1013 Гц объясняется как раз потерями энергии релятивистскими электронами из-за синхротронного излучения. Частота 1 определяется тем, что релятивистские электроны, излучающие на более низких частотах, «живут» в Крабовидной туманности без заметных потерь энергии больше времени, чем существует сама туманность, в то время как более высокие частоты излучаются более энергичными электронами, время жизни которых сравнительно невелико. Если бы не существовало непрерывной «накачки» таких электронов в туманность, их бы там не было совсем. На основании теории, зная частоту перелома синхротронного спектра 1 и время жизни туманности t1, можно поэтому найти напряженность существующего там магнитного поля, которое как бы непрерывно «перерабатывает» этот спектр. Формула для величины поля имеет простой вид:

где t1 1000 лет — возраст туманности. Из этой формулы следует, что при 1 1013 с-1 H 5 10-4 Э, т. е. очень близко к принятому выше значению. Заметим, что величина H очень слабо зависит от частоты перелома синхротронного спектра «Краба», которая определяется неуверенно, путем экстраполяции. Ведь прямых измерений потока излучения от туманности в далекой инфракрасной части спектра пока нет. Релятивистские электроны очень высоких энергий ( 10-14 эВ), ответственные за рентгеновское излучение Краба, будут из-за очень больших потерь на излучение «жить» совсем мало — всего лишь несколько месяцев. Этим, по-видимому, объясняется сравнительно малая протяженность рентгеновского источника центральной части туманности. Поступающие в Крабовидную туманность такие электроны просто не успевают попасть на периферию, так как для этого нужно несколько лет.

Релятивистские частицы, движущиеся вдоль сложных, замкнутых петель магнитного поля Крабовидной туманности, как бы «заперты» в ней. Если их будет достаточно много, они будут «распирать», деформировать петли магнитного поля, стремясь их раздвинуть. Но магнитное поле и само по себе стремится «расползтись» на возможно больший объем. Этой тенденции мешает то обстоятельство, что силовые линии поля как бы «привязаны» к газовым волокнам туманности, которые поэтому удерживают поле и движущиеся в нем релятивистские частицы от неограниченного и притом довольно быстрого расширения. Но тем самым мы с неизбежностью приходим к выводу, что на систему газовых волокон должна непрерывно действовать сила давления магнитного поля и находящихся там релятивистских частиц. Эта сила и должна привести к ускоренному движению волокон туманности, что и наблюдается (см. выше). Величину этого ускорения можно получить из несовпадения возраста Крабовидной туманности (930 лет) и полученного из расширения волокон момента времени, когда вся туманность была как бы в точке, что должно было быть (считая скорость расширений постоянной) около 800 лет назад. Отсюда величина ускорения получается равной g = 0,0016 см/с2. Зная величину силы давления магнитного поля и релятивистских частиц и сообщаемой этой силой ускорение, можно по простой формуле механики найти массу волокон Крабовидной туманности M:

где R — характерный линейный размер туманности (около одного парсека), а давление космических лучей Pp близко к H2/8 , причем H следует брать на периферии туманности. Можно оценить, что там H 3 10-4 Э. Отсюда следует, что масса волокон M 5 1032 г или 0,25 массы Солнца. Эта оценка включает в себя и массу слабых волокон, которые не наблюдаются. Полученная оценка массы достаточно близка к «лобовой» оценке, основанной на плотности газовых волокон в туманности и их суммарном объеме.

Как подчеркивалось выше, для обеспечения оптического, а тем более рентгеновского излучения Крабовидной туманности в течение столетий необходимо непрерывное «впрыскивание» новых порций релятивистских электронов. Естественно было предположить, что, кроме таких электронов, в туманность должны «впрыскиваться» и релятивистские тяжелые ядра — протоны, альфа-частицы и пр., короче говоря, космические лучи. В отличие от электронов, тяжелые релятивистские частицы не будут терять энергию на синхротронное излучение. Если бы их поступало в туманность не меньше, чем релятивистских электронов, их бы накопилось там столько, что давление на газовые волокна было бы весьма значительным, и, следовательно, ускорение этих волокон должно было быть гораздо больше наблюдаемого. Отсюда можно сделать вывод, что источник пополнения Крабовидной туманности релятивистскими частицами поставляет в нее преимущественно электроны и позитроны. Как впоследствии выяснилось, это связано с наличием в центре Краба весьма активного пульсара (см. ниже).

Другие остатки исторических сверхновых, вспыхнувших в Галактике в 1006, 1181, 1572 и 1604 гг., не дают такое количество информации, как Крабовидная туманность. Это нельзя объяснить только тем, что они более удалены от нас. Просто Крабовидная туманность оказалась гораздо более «богатым» и более интересным объектом. Все же мы кратко остановимся на описании остатков вспышек этих сверхновых.

Нет определенных указаний на существование оптически наблюдаемых остатков вспышки Сверхновой 1006 г. Однако на месте вспышки, в южном созвездии Волка, обнаружен довольно слабый протяженный радиоисточник. Угловые размеры этого источника довольно велики: 25 , или в пять раз больше, чем у Крабовидной туманности. Если принять, что Сверхновая 1006 г. имела видимую звездную величину -7,5 (на что указывают старинные арабские и китайские хроники), то, с учетом межзвездного поглощения света, расстояние до вспыхнувшей звезды было около 1000 пс. При таком расстоянии линейный радиус остатка должен быть около 3,5 пс. Зная возраст остатка ( 1000 лет), можно определить среднюю скорость расширяющейся оболочки, которая близка к 4000 км/с. Это гораздо больше, чем у Крабовидной туманности, и соответствует скорости выброса газов у сверхновых I типа, получаемых из ширин линий излучения в их спектрах (см. § 15). Следует иметь в виду, что Сверхновая 1006 г. вспыхнула довольно «высоко» над галактической плоскостью, где плотность межзвездного газа должна быть совершенно незначительна. Недавно с помощью «ультрафиолетового» спутника IUE (см. «Введение») в спектре горячей звезды, на которую проектируется остаток сверхновой 1006 г., были обнаружены широкие насыщенные линии поглощения ионизованного железа. Отсюда следует, что количество железа в этом остатке очень велико. Этот результат имеет исключительное значение для понимания природы сверхновых I типа (см. ниже). Этими скудными сведениями пока исчерпываются наши знания об остатках вспышки Сверхновой 1006 г. На месте Сверхновой 1181 г., наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами в созвездии Кассиопеи, находится довольно яркий (следовательно, молодой) радиоисточник 3C 58. Он, так же как и Краб, лишен оболочечной структуры. В оптическом спектре этого источника наблюдаются слабые линии излучения. Из анализа этих линий следует, что радиоисточник 3С 58 расширяется со скоростью 1000 км/с, а расстояние до него 2500 пс.

Гораздо больше мы знаем об остатках вспышки «звезды Тихо» — Сверхновой 1572 г. На месте вспышки этой Сверхновой наблюдаются очень слабые тонковолокнистые «кусочки» туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени порядка 10 лет, показывают некоторые изменения в относительной яркости волокон. Вместе с тем спектральные наблюдения не обнаружили значительных лучевых скоростей. Еще в 1952 г. на месте вспышки был найден источник радиоизлучения. Дальнейшие наблюдения позволили найти его структуру, которая весьма примечательна. В радиолучах этот источник представляет собой яркое, очень тонкое кольцо, диаметр которого 7 , а толщина меньше одной сотой радиуса. Расстояние до Сверхновой 1572 г. оценивается (довольно неуверенно) в 5000 пс. Это расстояние, с учетом межзвездного поглощения света, дает для абсолютной звездной величины Сверхновой 1572 г. значение около -18m , что близко к абсолютной величине сверхновой I типа. На месте Сверхновой 1572 г. обнаружен рентгеновский источник, о котором речь будет идти в § 20.

На месте Сверхновой Кеплера, вспыхнувшей в 1604 г., наблюдается своеобразная, похожая на веер оптическая туманность с яркими конденсациями. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 20 лет, указывают на медленное движение ярких деталей этой туманности со скоростью 0,03 секунды дуги в год. Так как расстояние до туманности, полученное таким же образом, как и для Кассиопеи А и Сверхновой 1572 г., около 10 000 пс, то линейная скорость в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения, составляет около 1400 км/с, в то время как полученная из спектральных наблюдений лучевая скорость составляет 230 км/с.

На месте Сверхновой 1604 г. уже давно обнаружен довольно яркий источник радиоизлучения с угловым диаметром, около 3 , что при расстоянии в 10 000 пс соответствует радиусу около 5 пс. При таком радиусе средняя скорость оболочки составляет около 12 000 км/с — величина примерно такая же, как у Сверхновой 1572 г.

Примечательно, что эта сверхновая вспыхнула на очень большом (около 1500 пс) расстоянии от галактической плоскости, где плотность межзвездного газа весьма мала. Как же тогда объяснить сравнительно низкую скорость разлета волокон газа в этой туманности? Ведь межзвездная среда их затормозить не может. Решение этой трудной проблемы, возможно, связано с предположением, что вокруг взорвавшейся звезды уже была туманность, образовавшаяся из вещества, вытекающего из звезды. Вряд ли, однако, масса этой туманности могла быть слишком большой — ведь взорвалась старая звезда с массой, лишь немного превосходящей солнечную.

В заключение нужно подчеркнуть, что мы слишком мало еще знаем о природе остатков Сверхновых 1006, 1181, 1572, 1604 гг. Похоже, однако, на то, что Сверхновая 1054 г. резко отличалась от них малой скоростью выброшенной оболочки и сравнительно большой ее массой. Это и определило в конечном итоге все своеобразие явлений, которые наблюдаются в Крабовидной туманности. Спецификой Сверхновых 1006, 1572 и 1604 гг. является то, что плотность межзвездной среды вокруг них очень мала. Поэтому их оболочки, почти не испытывая торможения, расширились до значений радиуса 5 пс, что привело к быстрому уменьшению радиосветимости. Через несколько тысяч лет они расширятся настолько, что их поверхностная радиояркость упадет до ненаблюдаемого значения. Наоборот, объекты, о которых речь шла в § 16 (например, IС 443), вспыхнули в сравнительно плотной межзвездной среде, которая, «предохранив» остатки взрыва от слишком быстрого расширения, как бы «законсервировала» их и обеспечила продолжительность жизни в несколько десятков тысяч лет.

 

Глава 18 Почему взрываются звезды?

До сих пор мы рассматривали только последствия вспышек сверхновых звезд. Взрывы звезд приводят к образованию в высшей степени интересных, отличающихся большим своеобразием туманностей. Эти туманности буквально «начинены» релятивистскими частицами, т. е., проще говоря,— первичными космическими лучами. Последние должны образовываться каким-то образом на самых сравнительно ранних этапах возникновения туманностей — остатков взрыва. Кроме того, как это было показано на примере Крабовидной туманности, «звездный остаток» взрыва продолжает в некоторых случаях мощную генерацию космических лучей, непрерывно «питая» образовавшуюся после взрыва туманность. Пока еще не совсем ясно, в какой степени это явление оказывается универсальным свойством «звездных остатков», хотя имеются достаточно серьезные основания связать его только со сверхновыми II типа.

Взрывы звезд имеют важное значение для физики и динамики межзвездной среды. Это огромное возмущение распространяется вначале с очень большой скоростью, которая постепенно уменьшается. Зона взрыва за несколько десятков тысяч лет распространяется на гигантскую область межзвездной среды, размеры которой исчисляются десятками парсек. В этой зоне физические условия резко отличаются от «невозмущенных». В ней существует весьма горячая плазма, нагретая до температуры в несколько миллионов кельвинов. Плотность космических лучей и напряженность магнитного поля в области, охваченной таким большим возмущением, значительно больше среднего значения, рассеиваясь в окружающей межзвездной среде, такое возмущение «обогащает» ее космическими лучами и вносит изменение в химический состав межзвездного газа.

Мы уже видели в § 16, что химический состав быстро движущихся волокон Кассиопеи А резко отличается от «обычного». Уже один этот наблюдательный факт говорит о том, что взрыв звезды является как бы «плавильным тиглем», в котором осуществляется «варка» сложных ядер. Следовательно, взрывы сверхновых звезд, выражаясь языком металлургов, осуществляют процесс «флотации» (обогащения) межзвездной среды тяжелыми ядрами.

Излишне подчеркивать, к каким необозримой важности последствиям приводит этот неуклонно действующий процесс. Ведь в «юности», еще до того как образовались галактики и звезды, Вселенная представляла собой довольно простую водородно-гелиевую плазму, возможно, с небольшой примесью дейтерия. Тяжелых ядер тогда еще не было. Это нашло свое отражение в химическом составе старейшего поколения звезд — субкарликов (см. § 12). В этой связи следует заметить, что основное обогащение межзвездной среды тяжелыми элементами произошло на самых ранних стадиях образования галактик. Тогда образовалось одновременно с нынешними субкарликами большое количество массивных и сверхмассивных звезд первого поколения, которые после десятка миллионов лет эволюции взрывались как сверхновые. Частота вспышек последних была в десятки раз больше, чем сейчас. По этой причине процесс обогащения межзвездной среды тяжелыми элементами в основном закончился довольно быстро, за «какие-нибудь» несколько сотен миллионов лет самой ранней истории нашей Галактики (а также, конечно, и других галактик).

Естественно спросить, а откуда известны эти важные детали «химической истории» нашей звездной системы? Оказывается, что эта летопись записана в метеоритах и земной коре. Тонкий химический анализ позволяет найти отношение концентраций радиоактивных изотопов 238U (уран-238), 244Рl (плутоний-244), 235Th (торий-235), а также двух изотопов йода — 127I и 129I. Так как периоды полураспада у ядер этих изотопов достаточно хорошо известны, то по измеренной относительной концентрации можно получить возрасты ядер. В частности, из измеренного отношения концентрации [Pl]/[U] в образцах метеоритов следует, что эти сверхтяжелые ядра образовались 8,5—10 миллиардов лет назад, причем они образовались за сравнительно короткое время.

Очень интересные результаты получаются из анализа концентрации изотопов йода и находящегося в метеоритах тяжелого инертного газа ксенона, являющегося стабильным продуктом распада радиоактивного изотопа 127I. Этот анализ показывает, что возраст изотопов йода значительно (примерно вдвое) меньше возраста изотопов урана, плутония и тория. В противном случае сравнительно короткоживущий изотоп 127I не сохранился бы. С другой стороны, из анализа содержания ксенона в образцах метеоритов следует, что уже через 180 миллионов лет после своего образования изотопы йода вошли в состав кристаллического вещества метеоритов. Так как не подлежит сомнению, что метеориты образовались одновременно с Солнечной системой (около 5 миллиардов лет назад), то можно сделать вывод, что вещество, из которого образовалась эта система, было обогащено незадолго до этого вспыхнувшей сверхновой. Заметим еще, что недавно обнаруженные различия в химическом составе у облаков межзвездной среды (см. § 2) естественно объясняются влиянием вспышек сверхновых.

После нашего небольшого экскурса в увлекательную область химической истории Галактики мы возвращаемся к основному вопросу о причинах взрывов звезд, наблюдаемых как феномен сверхновых. Изучение остатков таких вспышек открывает возможность оценить некоторые важные параметры взрывов, без знания которых научное рассмотрение этой проблемы было бы невозможно. К числу таких параметров относятся масса выброшенной при взрыве оболочки, кинетическая энергия этой оболочки и ее химический состав, наличие огромного количества релятивистских частиц в остатках взрыва и их энергетический спектр. Кроме того, исследования вспышек сверхновых в других галактиках методами современной астрономии (в частности, спектроскопии) позволяют определить полное количество излученной энергии, этой важнейшей характеристики взрыва. Эти же наблюдения дают возможность определить первоначальную скорость выброшенных при взрыве газов, что позволяет оценить «удельную энергию» взрыва, т. е. количество энергии, приходящееся на грамм вещества.

Прежде всего следует подчеркнуть, что настоящей теорией взрыва звезд современная наука пока еще не располагает. Эта проблема, как и можно было ожидать, оказалась очень трудной. Все же положение не следует признавать таким уж безнадежно плохим. Ряд узловых вопросов будущей теории уже в определенной степени разработан, а главное,— поняты, правда, в довольно общей форме, те физические условия в эволюционирующей звезде, которые, закономерно меняясь, должны с неизбежностью привести к космической катастрофе.

Переходя к существующим теоретическим представлениям, касающимся причины взрыва звезд, прежде всего остановимся на возможных источниках энергии. Естественнее всего считать, что таким источником является ядерная энергия.

Мы уже довольно подробно рассматривали этот источник для объяснения «спокойного» излучения звезд во время их пребывания на главной последовательности (см. § 8). Там же подчеркивалось, что после «исчерпания» водородного ядерного горючего в центральных областях звезды характер ее эволюции значительно усложняется. Равновесное состояние звезды на конечной стадии ее эволюции зависит от первоначальной массы, которая предполагается неизменной на протяжении всей эволюции. Последнее предположение, однако, как мы уже раньше видели в § 13, заведомо не выполняется. Например, на стадии красного гиганта у реальных звезд наружные слои отделяются, а из внутренних образуется белый карлик.

Тем не менее полезно рассматривать идеализированную модель звезды, которая все время сохраняет свою массу и к тому же не вращается. Можно полагать, что такое упрощенное рассмотрение задачи позволит выявить ряд существенных особенностей заключительной фазы звездной эволюции. Расчеты показывают, что если масса такой «идеализированной» звезды меньше чем 1,2 солнечной, то конечным продуктом эволюции являются белые карлики, о которых речь шла в § 10. Для звезд с массой, большей чем 1,2, но меньшей 2,5 солнечной, конфигурация с вырожденным газом уже не является равновесной. Как это было показано еще в 1938 г. американскими физиками-теоретиками Оппенгеймером и Волковым, такая звезда после исчерпания запасов ядерного горючего должна катастрофически сжаться и превратиться в сверхплотный объект размерами около 10 км — в нейтронную звезду. Мы уже упоминали об этом в § 10. Необходимо, однако, подчеркнуть, что звезды с массой, превышающей некоторый предел, близкий к 2,5 солнечной массы, в конечном итоге должны катастрофически сжаться в точку (так называемые «черные дыры», о которых подробно будет рассказано в § 24).

Таким образом, в зависимости от первоначальной массы идеализированной модели звезды теория предсказывает три типа конечного состояния «мертвых» (т. е. исчерпавших свою энергию) звезд:

1. белые карлики,

2. нейтронные звезды,

3. черные дыры.

Первые известны астрономам вот уже свыше 70 лет. Нейтронные звезды после долгих безуспешных попыток были открыты только в 1967 г. Наконец, есть некоторые основания полагать, что несколько известных объектов отождествляются с «черными дырами» (см. § 24). Таким образом, мы видим, что хотя «идеализированная» модель звезды и является крайне упрощенной, существование всех трех разновидностей «мертвых» звезд она предсказала правильно. Первоначальная теория, однако, не указывала на конкретные пути образования «мертвых» звезд.

По всем данным вспышки сверхновых связаны с конечным этапом звездной эволюции. Это видно хотя бы из весьма своеобразного химического состава волокон Кассиопеи А. Из сказанного следует, что можно ожидать «генетическую» связь между вспышками сверхновых и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Последнее обстоятельство «подозревалось» давно, но только около 15 лет назад были получены прямые наблюдательные данные: в остатках сверхновых обнаружены нейтронные звезды.

Естественнее всего считать, что огромное количество энергии, освобождаемое при вспышках сверхновых, имеет ядерное происхождение. Однако далеко не всякое ядерное горючее может быть, хотя бы в принципе, ответственно за взрыв звезды. Прежде всего это относится к водороду — основному ядерному горючему, поддерживающему путем соответствующих термоядерных реакций «спокойное» излучение звезд на главной последовательности. Дело в том, что хотя выделение энергии при полном превращении водорода в гелий и очень велико (6 1018 эрг/г), оно происходит достаточно медленно. Поэтому взрыва (т. е. очень быстрого освобождения большого количества энергии) в этом случае произойти не может.

Медленность термоядерных реакций на ядрах водорода объясняется тем, что цепь таких реакций (см. § 8) в качестве необходимых звеньев содержит процесс -распада. Последние же протекают весьма медленно и их нельзя никаким образом «ускорить»: ведь это же «спонтанные», т. е. самопроизвольные процессы. Например, даже при самой высокой температуре реакция превращения водорода в дейтерий:

происходит из-за -распада очень медленно. Однако при высоких температурах благодаря уже рассматривавшейся в § 8 реакции 34He 12С и последующих реакций ядер углерода с ядрами гелия (альфа-частицами) вида

может возникнуть очень большое количество легких ядер углерода, кислорода и неона. Ядра этих легких элементов могут уже при температуре около ста миллионов кельвинов вступить в реакции с протонами, сопровождаемые значительным, а главное, быстрым выделением энергии, так как такие реакции не сопровождаются -распадом. Однако этим способом каждое ядро легкого элемента может последовательно присоединить к себе не более трех-четырех протонов, что обеспечит выход энергии около 10—20 МэВ на одно ядро. Для более тяжелых ядер, получаемых путем последовательного присоединения протонов, наличие -распада сильно замедляет реакцию, отчего она потеряет свой «взрывной» характер. Все же даже 3—4 последовательных присоединения протонов дают неплохую «взрывчатку». Весь вопрос, однако, заключается в том, хватает ли у звезды нужного количества ядер легких элементов, чтобы при их взрыве (как это может случиться, мы пока не обсуждаем) выделилось нужное количество энергии.

Если химический состав звезды, которая должна взорваться, такой же, как у Солнца, то в каждом грамме ее вещества содержится примерно 5 1020 легких ядер. Если каким-то образом взрывная реакция на легких ядрах описанного выше вида произойдет, то удельный выход энергии будет 1016 эрг/г. Это мало! Ведь в случае сверхновых II типа удельный выход энергии по крайней мере в 10 раз больше. Если мы на минутку вообразим себе, что наше Солнце взорвалось бы вследствие такой реакции, то выделилась бы энергия 1049 эрг, а это все-таки в десять раз меньше, чем выделяется энергии при вспышках сверхновых I типа. Если предположить, что по какой-то неизвестной причине недра Солнца нагрелись бы до температуры в сто миллионов кельвинов, то скорее всего последовал бы взрыв. Однако скорость разлета газов не превышала бы, скажем, 500 км/с, а это по крайней мере в десять раз меньше, чем наблюдаемая скорость разлета при вспышке сверхновых (см. § 15).

Если мы хотим объяснить катастрофическое выделение энергии при вспышке сверхновой ядерными реакциями (а такие взрывные реакции могут происходить только с ядрами легких элементов), то необходимо предположить, что химический состав недр взорвавшейся звезды должен быть резко отличен от солнечного. Это различие должно выражаться в несравненно большем обилии легких элементов (азот, кислород, углерод, неон) по отношению к водороду, чем на Солнце. Например, если на Солнце на каждую тысячу атомов водорода приходится только один атом какого-нибудь из этих элементов, то у звезды, которая должна взорваться, количество легких атомов должно составлять уже 2—3% от количества атомов водорода. Но эта звезда когда-то образовалась из межзвездной среды, химический состав которой почти такой же, как у солнечной атмосферы. Это означает, что в процессе эволюции химический состав звезды, которая должна взорваться, подвергся благодаря разного рода ядерным реакциям весьма значительному изменению. Это изменение как бы «подготовило» звезду для взрыва, образовав там потенциальный «пороховой погреб», наполненный взрывоопасным ядерным горючим.

При очень высоких температурах, которые неизбежно должны возникнуть, когда пойдут реакции на легких ядрах (речь идет о температуре порядка миллиарда кельвинов), вещество начнет обладать взрывной неустойчивостью по причине очень быстро протекающих реакций типа

и аналогичных реакций для 16О, 20Ne и других легких элементов. Характерное время для таких реакций около 1 с, а удельный выход энергии достигает 5 1017 эрг/г. Если бы, например, взорвалась масса такого вещества, равная 0,1 массы Солнца, то выделилось бы 1050 эрг энергии, что уже близко к энерговыделению во время вспышек сверхновых I типа.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что потенциально возможным ядерным горючим, ответственным за взрывы звезд, может быть только вещество, в высокой степени обогащенное легкими элементами. Обычная космическая «микстура» с химическим составом, подобным солнечному, не может ни при каких обстоятельствах привести к ядерному взрыву звезды. Пока, однако, совершенно открытым остается вопрос, каким же образом реализуется «подготовка» условий, необходимых для ядерного взрыва.

Наконец, остается возможность, что главным источником взрыва звезд является освобождение не ядерной энергии, а гравитационной при катастрофическом сжатии. Скорее всего, имеют значение оба вида энергии, хотя, как мы уже говорили выше, вся картина взрыва звезды еще далека от ясности. Тем не менее мы все же остановимся на некоторых теоретических разработках, которые, несомненно, будут полезны при создании в будущем (может быть, недалеком) теории взрыва звезд.

Английские теоретики Хойл и Фаулер рассмотрели интересную модель звезды накануне ее взрыва («предсверхновая»). Они ограничились вначале случаем сравнительно массивной звезды, M = 30 солнечных масс, причем за время эволюции перемешивания вещества не было. У таких звезд вещество в центральной части невырожденно, так как плотность там сравнительно невелика (см. § 12).

Можно полагать, что эти расчеты имеют отношение к проблеме вспышек сверхновых II типа. На заключительной фазе эволюции температура вещества в центральных областях такой звезды (вернее, модели звезды) очень велика, порядка нескольких миллиардов кельвинов. При такой температуре весь водород и гелий уже выгорели. Ядерные реакции идут очень быстро. Равновесное состояние вещества характеризуется преобладанием ядер элементов группы железа, имеющих минимальное значение «коэффициента упаковки». Ядро такой звезды окружено «мантией», температура которой значительно ниже, например, меньше миллиарда кельвинов. Химический состав этой оболочки резко отличен от химического состава ядра. В «мантии» преобладают легкие элементы — кислород, азот, неон, т.е. потенциальное ядерное горючее, необходимое для взрыва звезды. Наконец, «мантия» окружена самой наружной, водородно-гелиевой оболочкой. По расчетам этой модели масса центрального железного ядра составляет 3 солнечные массы, масса кислородной мантии 15, а все остальное приходится на долю довольно разреженной наружной водородно-гелиевой оболочки.

Условия для ядерного взрыва создаются тогда, когда в процессе эволюции железное ядро начнет катастрофически сжиматься (коллапсировать). Характерное время такого сжатия близко к времени свободного падения и составляет около 1 с. При катастрофическом сжатии ядра нарушается механическое равновесие и остальной части звезды, т. е. вес ее выше лежащих слоев уже не уравновешивается давлением газа снизу, и тогда наружные слои звезды начнут падать по направлению к ее центру. Через небольшой промежуток времени (тоже около секунды) кинетическая энергия падающей оболочки превратится в тепловую, что повлечет за собой быстрый ее нагрев. Тем самым создадутся условия для ядерного взрыва находящихся там легких элементов.

Весьма важным, однако, является то обстоятельство, что катастрофическое сжатие ядра звезды должно произойти за время меньшее, чем то, которое нужно для «спокойной» перестройки оболочкой своей структуры без взрыва. В § 6 довольно подробно уже обсуждали этот вопрос в связи с проблемой нарушения механического равновесия звезды, вызванного мгновенным «местным» выделением некоторого количества энергии. Время «спокойной» перестройки структуры звезды определяется скоростью звука, проходящего через нее. Эта скорость — порядка

(ср. § 6). В нашем случае, при размерах «мантии» звезды 3 109 см скорость 3з 109 см/с, а время прохождения волны сжатия через звезду tз R/3з 3 с. Теперь важно понять, что если бы при сжатии ядра стала достаточно быстро расти температура его вещества, то сжатие не происходило бы катастрофически быстро. При этом звезда в каждый момент времени успевала бы «подстроить» свою структуру под изменившиеся условия в ядре и никакого взрыва не произошло бы. Об этом мы довольно подробно рассказывали, когда рассматривалось равновесие звезды (см. § 6).

Катастрофическим сжатие будет только тогда, когда у ядра имеется «холодильник», отбирающий у него выделяющуюся при сжатии тепловую энергию. Заметим, что мощность такого «холодильника» должна быть исключительно высокой, порядка 1018 эрг/г.

В настоящее время можно указать по крайней мере на два типа таких «холодильников». На первый обратили внимание Хойл и Фаулер. Он сводится к огромному поглощению энергии при диссоциации ядер железа на альфа-частицы и нейтроны. При повышении температуры такой процесс диссоциации неизбежен и будет сопровождаться поглощением огромного количества «скрытой теплоты диссоциации». Из каждого ядра железа получается 13 альфа-частиц и 4 нейтрона. Энергия связи нуклонов в ядре железа равна 8,79 МэВ, в то время как средняя энергия связи одного нуклона в полученной после диссоциации смеси альфа-частиц и нейтронов всего лишь 6,57 МэВ. Следовательно, чтобы разрушить (диссоциировать) железо на альфа-частицы и нейтроны, нужно истратить 2,22 МэВ на нуклон энергии или 2 1018 эрг/г. Что и говорить, превосходный холодильник! Его «работа» будет состоять в том, что как только при сжатии температура железного ядра поднимется до некоторой величины, ее дальнейший рост «надолго» прекратится, так как выделяющаяся при сжатии гравитационная энергия пойдет на диссоциацию ядер железа. А остановка нагрева сжимающегося ядра как раз и создаст благоприятные условия для детонации «порохового погреба» звезды, так как при этом ядро будет катастрофически сжиматься, а оболочка, не успевая «спокойно» перестроить свою структуру, станет падать к центру звезды, быстро при этом нагреваясь. Из-за этого пойдут взрывные реакции на легких элементах, входящих в состав «мантии».

Такова общая картина взрыва массивной звезды, как она представляется из исследований Хойла и Фаулера. Из этой картины следует, что прежде чем взорваться, звезда должна была уже далеко продвинуться в своей эволюции. Существенно, что при этом радикально изменится химический состав ее недр. В частности, свыше половины массы звезды, представлявшей в начале эволюции водородно-гелиевую смесь, превратилось в легкие элементы. Непосредственной причиной, вызывающей взрыв звезды, является катастрофическое сжатие ее железного ядра в присутствии такого «холодильника», каким является скрытая теплота диссоциации железа на гелий и нейтроны. По-видимому, такой путь эволюции может быть типичным для достаточно массивных звезд. Поэтому описанная выше теория должна соответствовать вспышкам сверхновых II типа. Следует, однако, подчеркнуть, что несмотря на содержащиеся в этой теории ценные идеи, ее еще никак нельзя рассматривать как полное описание процессов, происходящих при вспышках сверхновых II типа. Так, например, эта теория совершенно не учитывает, что если вещество нагреется до температуры в несколько миллиардов кельвинов, там начнут в очень большом количестве образовываться нейтрино и антинейтрино. Эти частицы будут выходить из звезды, унося с собой огромное количество энергии.

Ядерные реакции, приводящие к образованию нейтрино ( ) и антинейтрино ( ), выглядят следующим образом (так называемый «урка-процесс»):

Уже начиная с температуры T 0,5 109 К нейтринное излучение массивных звезд превосходит их фотонное излучение. По мере повышения температуры сжимающегося ядра мощность нейтринного излучения звезды растет в огромной степени. Особенно оно увеличивается после того как железо в центральных частях звезды окажется диссоциированным, т. е. на более поздней стадии сжатия. Так как после такой диссоциации железный «холодильник» перестанет существовать, начнется новое, довольно быстрое повышение температуры ядра. Когда последняя повысится до 20 миллиардов кельвинов (к тому времени плотность ядра уже будет около 1010 г/см3), начнется расщепление альфа-частиц и появится значительное количество свободных (т. е. не связанных в ядрах) протонов и нейтронов. Это приведет к резкому увеличению скорости образования нейтрино и антинейтрино (см. формулу (18.1)). Они будут выходить из ядра, унося оттуда огромное количество энергии. Тем самым появится новый, исключительно мощный «холодильник».

Огромная энергия нейтринного излучения черпается из гравитационной энергии сжимающегося ядра. Покидающие звезду нейтрино и антинейтрино имеют энергии около 10 МэВ, что значительно выше, чем энергия солнечных нейтрино (см. §§ 8 и 9). Когда температура сжимающегося ядра достигнет 40 миллиардов кельвинов, а плотность будет 3 1011 г/см3, возникнет новая ситуация: ядро звезды перестанет быть прозрачным для нейтрино. Последние будут поглощаться протонами и нейтронами (реакция (18.1), только читаемая справа налево!). Тем самым новый «холодильник» выключается, резко поднимается температура ядра, а процесс сжатия сильно замедляется. По-видимому, сжатие ядра прекращается совсем, когда его плотность достигает величины 3 1013 г/см3, а температура превосходит сто миллиардов кельвинов. Падающая на центр звезды оболочка останавливается, быстро нагревается, и «пороховой погреб» (т. е. легкие элементы в мантии) взрывается. Такова общая картина взрыва массивной звезды с учетом процессов образования нейтрино и антинейтрино в ее горячих, сжимающихся недрах. Заметим еще, что сжимающееся ядро может быстро перестать сжиматься еще по совершенно другой причине. Дело в том, что пока мы еще не учитывали вращения сжимающейся звезды. На основании известного из механики закона сохранения вращательного момента по мере сжатия звезды линейная скорость ее вращения быстро растет. Может возникнуть такая ситуация, что возникающие при этом огромные центробежные силы прекратят сжатие ядра звезды, как бы «застабилизировав» его. Тем самым остановится и сильно нагреется падающая на центр звезды «мантия» и создадутся условия для ядерного взрыва.

Не следует забывать еще, что вся описанная выше сложная физическая картина сжатия звезды, предшествующая ее взрыву, происходит за ничтожно малое время, около одной десятой секунды. За это время катастрофически сжимающаяся звезда излучит огромное количество нейтрино. Расчеты показывают, что полная энергия этих нейтрино достигает значения 1052 эрг, т. е. почти в сто раз больше кинетической энергии выброшенной оболочки звезды! Это примерно в тысячу раз больше, чем энергия нейтринного излучения Солнца за все время его эволюции, т. е. за 5 миллиардов лет. По крайней мере 99% освободившейся при катастрофическом сжатии звезды гравитационной энергии переходит в нейтрино и только едва 1% — в те виды энергии, которые наблюдаются астрономами. Заметим, что энергичные нейтрино легче взаимодействуют с веществом, т. е. их легче обнаружить экспериментально. Если бы где-то в Галактике вспыхнула сверхновая II типа на расстоянии нескольких тысяч парсек от нас, и мы знали бы момент вспышки с точностью в несколько сотых секунды, то существующая на Земле приемная аппаратура (типа описанной в § 9) позволила бы эту вспышку зарегистрировать. Это имело бы огромное значение для понимания природы взрыва звезд. Пока, однако, о таком эксперименте мы можем только мечтать.

Спецификой структуры звезд со сравнительно небольшой массой на поздней стадии эволюции является наличие у них весьма плотного вырожденного ядра (см. § 11). В этом случае катастрофическое сжатие центральных областей звезды обусловлено поглощением вырожденных электронов ядрами, которое имеет место при достижении эволюционирующей звездой некоторой, достаточно высокой плотности, большей чем 1011 г/см3. При этом образуется большое количество нейтронов. Так же как и в случае массивных звезд, не поддерживаемая давлением вырожденных электронов оболочка «обрушится» и начнет падать к центру звезды. Там, где эта оболочка ударится о сжимающееся ядро, произойдет сильный разогрев вещества (до 5 1011 К). По этой причине возникнет мощное нейтринное излучение («урка-процесс»; см. формулу (18.1)), которое поглотится оболочкой. Тем самым оболочка сильно нагреется, и произойдет взрыв из-за ядерных реакций на легких элементах. В этой картине, однако, многое остается не ясным. Например, столь же возможно, что нейтрино образуется во всей толще ядра, которое должно быть достаточно горячим.

Реальная картина взрыва звезд сравнительно малой массы может сильно отличаться от намеченной выше схемы. Так, существенную роль может играть магнитное поле сжимающейся звезды и, особенно, вращение ее ядра. В процессе сжатия магнитное поле может достигнуть очень большого значения, порядка нескольких миллиардов эрстед (о причинах этого см. § 20). При некоторых условиях магнитное поле может переносить освобождающуюся при сжатии гравитационную энергию наружу, в оболочку, что вызовет сильный нагрев и детонацию последней. Вообще, магнитное поле в астрофизике довольно часто играет роль «приводного» ремня для транспортировки значительного количества энергии.

Теория взрыва звезд должна не только указать на причину взрыва в связи с предыдущей эволюцией звезды, не только оценить величину энергии взрыва, но и объяснить кривые блеска сверхновых. Почему, например, так похожи друг на друга кривые блеска сверхновых I типа? И почему столь разнообразны кривые блеска сверхновых II типа? Надо сказать, что эти вопросы для теоретиков оказались очень трудными. Один путь решения этой проблемы сводился к рассмотрению распространения сильной ударной волны, возникшей после детонации «мантии» в протяженной наружной оболочке звезды с уменьшающейся по мере удаления от ее центра плотностью. В таком случае свойства ударной волны определяются энергией взрыва и законом уменьшения плотности в наружной оболочке.

Выход сильной ударной волны на поверхность звезды и наблюдается как явление вспышки сверхновой. По этой причине изучение «кривых блеска» сверхновых позволяет, в принципе, понять характер взрыва и выяснить природу взрывающихся звезд.

Начиная с середины 60-х годов советские теоретики В. С. Имшенник и Д. К. Надежин со своими сотрудниками занимались нелегкими расчетами распространения ударных волн в наружных слоях сверхновых звезд. При этом сам механизм взрыва не конкретизировался — в этом не было нужды. Достаточно было только предположения о «мгновенном» (проще говоря — достаточно быстром) выделении нужного количества энергии в центре взрывающейся звезды, поскольку в случае распространения сильной ударной волны в среде с уменьшающейся наружу плотностью имеет место очень слабая зависимость газодинамических характеристик (давление, поле скоростей и пр.) от особенностей взрыва. Нужно только задать полную энергию взрыва и закон падения плотности в звезде.

Результаты таких расчетов оказались весьма интересными. Прежде всего, стало очевидным, что если взрыв происходит в компактной, достаточно массивной звезде (например, звезде главной последовательности), то кривые блеска качественно отличаются от наблюдаемых. Прежде всего, максимум блеска оказывается очень резким и длится не больше чем 20 минут, в то время как согласно наблюдениям длительность максимума 1—2 суток. Кроме того, максимальный блеск оказывается очень незначительным — в сотни раз меньше наблюдаемого.

Для того чтобы получить кривую блеска, более или менее сходную с наблюдаемой (т. е. существенно увеличить длительность в максимуме и светимость), необходимо предположить, что звезда перед взрывом является гигантом или, лучше, сверхгигантом. Расчеты показывают, что при сильном взрыве радиус звезды почти не увеличивается — происходит только сильный нагрев атмосферы звезды ударной волной. В принципе, вместо красного сверхгиганта с протяженной атмосферой можно принять модель звезды, у которой происходит медленное истечение вещества с ее поверхности, в результате чего вокруг звезды образуется весьма протяженная оболочка, причем ее плотность уменьшается наружу примерно обратно пропорционально квадрату расстояния.

Развитая советскими авторами «гидродинамическая» теория взрыва массивной звезды хорошо согласуется с современной теорией звездной эволюции. Согласно этой теории (см. § 12) фаза красного гиганта или сверхгиганта является неизбежной. Начало этой фазы связано с коренной перестройкой структуры центральных областей звезды, создающей предпосылки для гравитационного коллапса ее ядра. Следовательно, образование весьма протяженной оболочки и способного к коллапсу ядра происходят «в одну эпоху» жизни звезды. Однако совпадение этих явлений вовсе не обязательно должно быть строгим. Возможно и даже весьма вероятно, что сравнительно кратковременная фаза красного гиганта закончится до гравитационного коллапса ядра. В этом случае, после потери наружной, богатой водородом оболочки, образуется довольно компактная «гелиевая» звезда типа Вольфа — Райе. Явление гравитационного коллапса, конечно, не зависит от того, есть ли вокруг звезды протяженная водородная оболочка или нет. Мы приходим к представлению, что почти все массивные звезды типа Вольфа — Райе должны взрываться как сверхновые. Так как длительность фазы Вольфа — Райе у массивных звезд сравнима с длительностью фазы красного гиганта, следует ожидать, что число взрывающихся звезд типа Вольфа — Райе должно быть сравнимо с числом взрывающихся массивных сверхгигантов.

Но, на основании расчетов Имшенника и Надежина, взрывающиеся компактные звезды типа Вольфа — Райе совершенно непохожи ни на какие сверхновые. Они на 5—6 величин слабее (в максимуме) и имеют ненаблюдаемо-узкий максимум на кривой блеска. Мы приходим, таким образом, к представлению о необходимости существования «карликовых сверхновых», открытых на кончике пера советскими теоретиками. Очень похоже, что таким объектом является Кассиопея А, а также Сверхновая 1181 г., светимость которой в максимуме была в сотню раз меньше обычной. Другим важным выводом из расчетов советских авторов является утверждение, что в тесных двойных системах не могут вспыхивать сверхновые II типа, так как перетекание масс в процессе эволюции компонент препятствует образованию протяженной, богатой водородом оболочки.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что основным предположением, сделанным при расчетах распространения ударной волны в наружных слоях звезды, является постулат о мгновенном выделении энергии в ее центральной части. Можно, однако, предложить по крайней мере два механизма постепенного (т. е. достаточно медленного) выделения энергии. Первый механизм связан с образованием в центре коллапсирующей звезды быстро вращающегося намагниченного пульсара. Тормозясь, такой пульсар будет непрерывно выделять энергию в виде жестких фотонов и корпускул. Мощность энерговыделения молодого пульсара более чем достаточна для «накачки» энергии в оболочку пульсара, но конкретные условия работы такой «машины» еще далеко неясны.

Другим механизмом непрерывной накачки энергии в оболочку взорвавшейся звезды является радиоактивность образующихся в процессе коллапса некоторых ядер. Эта гипотеза с очевидной легкостью объясняет экспоненциальный характер кривых блеска сверхновых I типа после максимума: показатель экспоненты определяется периодом полураспада соответствующего «рабочего изотопа»). В качестве последнего Бааде и др. еще в 1956 г. предложили... трансурановый элемент калифорний-254. Ядра этого изотопа спонтанно делятся на осколки с энергией 200 МэВ. Гипотеза эта, единственным обоснованием которой является подходящее значение периода полураспада 254Cf, по ряду причин оказалась совершенно несостоятельной.

На смену 254Cf пришли другие «рабочие вещества». В последние годы в качестве такого вещества теоретики используют радиоактивный изотоп никеля-56, дающий начало цепи -радиоактивных превращений:

Период полураспада 56Ni составляет 6,1 суток, в то время как у 56Co он равен 77 суткам. В процессе этих распадов основная часть энергии выделяется в виде -квантов с энергией 1 МэВ и только 20% энергии выделяется в виде быстрых позитронов.

Образование в процессе коллапса плотного ядра, почти целиком состоящего из столь «экзотической» субстанции, как радиоактивный 56Ni, представляется вполне возможным и даже закономерным. Можно показать, что для обеспечения энергетики взрыва масса такого ядра должна быть 0,5M . Теоретические расчеты кривых блеска в случае «медленного» выделения энергии, выполненные советскими авторами, доказывают, что такой взрыв в ядре «компактной звезды» (даже белого карлика) вполне может объяснить явление вспышки сверхновой I типа.

Очень серьезным наблюдательным подтверждением справедливости гипотезы «радиоактивного никеля» является обнаружение в «послемаксимальном» спектре сверхновой 1972-е многочисленных эмиссионных линий железа. Решающим аргументом является недавнее обнаружение резонансных ультрафиолетовых линий поглощения в спектре горячей звезды, на которую проектируется остаток вспышки Сверхновой 1006 г.

Из того факта, что сверхновые II типа наблюдаются преимущественно в спиральных рукавах, следует вывод, что первоначальная масса этих взрывающихся звезд должна быть больше 7M . Напротив, сверхновые I типа, как уже отмечалось в § 15, наблюдаются во всех галактиках, в частности эллиптических, а в спиральных галактиках к рукавам спиральной структуры отнюдь не концентрируются. Из последнего обстоятельства следует вывод, что их массы должны быть меньше 7M .

Как уже говорилось раньше, в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Вспышки сверхновых в таких галактиках нелегко объяснить, так как процесс звездообразования там давно закончился. В Е-галактиках в современную эпоху должны быть только звезды с массой, меньшей солнечной, а такие звезды вспыхивать не могут. Тем не менее они вспыхивают. Шацман предложил изящную гипотезу, согласно которой вспышки в этих галактиках происходят в тесных двойных системах, одной из компонент которых является белый карлик. Когда в процессе эволюции вторая компонента начнет разбухать, газ станет из нее перетекать на белый карлик, совсем как в случае обычных новых звезд (см. § 14). После того как масса белого карлика превысит чандрасекаровский предел, произойдет взрыв.

С другой стороны, из наблюдений следует, что вспышки сверхновых I типа в спиральных и неправильных галактиках связаны с процессом звездообразования. Отсюда следует, что массы вспыхивающих звезд должны лежать в пределах 3—7 M . Таким образом, с одной стороны, взрываются белые карлики, массы которых равны чандрасекаровскому пределу (в Е-галактиках), а с другой — сравнительно массивные звезды (в спиральных и неправильных галактиках), причем спектры и кривые блеска в обоих случаях совершенно одинаковы! По мнению автора этой книги, парадокс этот разрешается следующим образом. Если в процессе эволюции звезды в ней образовалось ядро, масса которого с точностью 1% равна чандрасекаровскому пределу, MCh, после отделения наружной оболочки оно взорвется как сверхновая I типа. Если же массы ядер больше MCh, то будет иметь место взрыв сверхновой II типа. Наконец, если масса ядра меньше MCh никакого взрыва сверхновой не будет и образуется белый карлик. Таким образом, открывается возможность понять явления вспышек сверхновых разных типов с единой точки зрения.