Еще совсем недавно астрофизика была наукой, в которой наблюдения и выводы носили довольно-таки неопределенный характер. Но благодаря современным приборам ситуация очень быстро меняется. Новая техника позволила более детально рассмотреть многие небесные объекты и отождествить результаты наблюдений в разных частотных диапазонах. Точность и разнообразие измерений возросли многократно. И произошло это очень своевременно, поскольку теоретическая мысль не стояла на месте. Более того, количество разных моделей,
объясняющих строение нашей Вселенной, постоянно увеличивалось. Теперь же благодаря возросшей полноте и точности получаемой информации удается отделить зерна от плевел или, по крайней мере, указать теоретикам более верное направление поиска истины. Причем совсем недавнее освоение рентгеновского и гамма-диапазона уже подарило астрономам шесть типов крайне экзотических космических объектов. О них мы и расскажем.
Рентгеновская и гамма-астрономия сегодня являются одним из важнейших инструментов в изучении космоса. Количество открытых источников жесткого электромагнитного излучения все время растет. Причем это не обычные спокойные звезды, которым для того, чтобы быть достаточно яркими в рентгеновском диапазоне, надо иметь температуру поверхности, равную многим миллионам градусов, а разные экзотические объекты, крайне удаленные от Земли. Большинство обнаруженных сегодня источников гамма-излучения имеют далеко не тепловую природу и связаны с разного рода нестационарными и взрывными процессами во Вселенной.
Рентгеновский диапазон, начинаясь от излучений с длиной волны 100 ангстрем (100 эВ), простирается до 0,1 ангстрема (100 кэВ). Далее идут сначала мягкие гамма-кванты с энергией до 1 МэВ и длиной волны порядка размеров ядра, затем – средние (1 МэВ – 10 МэВ), жесткие (0,01 ГэВ – 100 ГэВ), сверхвысокоэнергичные (0,1 ТэВ – 100 ТэВ) и гамма-кванты ультравысоких энергий. Возможно, в космосе блуждают и более энергичные странники, но их мы пока не умеем опознавать.
Гамма-астрономия не только разрешает старые загадки, но и ставит новые. Так, до сегодняшнего дня нет никакого убедительного объяснения происходящим примерно раз в сутки мощным всплескам гамма-излучений. Еще в 1960-е годы эти всплески были зафиксированы американскими военными спутниками, предназначенными для слежения за ядерными и термоядерными взрывами. Искали мощное излучение от испытания атомных бомб потенциального противника, а обнаружили следы космических катастроф. Есть много предположений о возможных механизмах генерирования мощных гамма-вспышек. Наиболее популярна гипотеза, согласно которой так заканчивают свое существование двойные системы, состоящие из нейтронных звезд или черных дыр. Такая "парочка" совершенно незаметна в оптическом диапазоне, и только когда, потеряв благодаря излучаемым гравитационным волнам вращательную энергию, компаньоны падают друг на друга, выделяется огромное количество энергии, излучаемой в том числе в гамма-диапазоне. Однако первый надежно идентифицированный 5 марта 1979 года источник гигантской вспышки оказался SGR-пульсаром, спокойно вспыхивающим в рентгеновском диапазоне. Причем находится он даже не в нашей Галактике, а в соседней - Большом Магеллановом Облаке. Правда, его сегодняшние нерегулярные вспышки по мощности не идут ни в какое сравнение с тем страшным взрывом, что был зафиксирован в 1979 году
За последние годы окрепла убежденность в наличии массивных черных дыр (с массой от миллиона до миллиарда солнечных) в центрах многих галактик. Но вот то, как они там оказались, совершенно не ясно. Чтобы понять это, необходимо собрать как можно больше информации о процессах, проходящих в ближайшей окрестности подобной черной дыры. И здесь ученым на помощь приходит Природа. Если черная дыра находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество начинает«засасываться» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать. Именно это излучение и выдает присутствие черных дыр. Интересный парадокс: черные дыры, оказывается, могут быть самыми яркими объектами во Вселенной! Именно наличие мощнейшего излучения во всем диапазоне длин волн (от радио до гамма), идущего из центра многих галактик, и заставляет думать о том, что там находятся огромные черные дыры. Уже обнаружены звезды, расположенные близко от черных дыр и очень быстро вокруг них вращающиеся. Почему же излучение в рентгеновском диапазоне информативнее наблюдений в видимом спектре, при помощи обычных телескопов? Согласно законам электродинамики, чем с большим ускорением движется заряженная частица, тем более энергичные кванты света она испускает. Но ускорение тем больше, чем ближе частица к черной дыре. Следовательно, более энергичные фотоны прилетают к нам из непосредственной окрестности черной дыры. А исследуя спектральный состав излучения, можно оценить массу черной дыры, ее заряд и скорость вращения. Теоретики предсказывают, что черные дыры способны не только поглощать окружающую их материю, но и излучать частицы всех сортов (так называемое «Хоукинговское квантовое испарение»). Для массивных черных дыр это излучение крайне мало, но чем меньше масса черной дыры, тем больше его интенсивность и энергия вылетающих из нее частиц. Чем меньше черная дыра, тем лучше ее видно! Но раз объект излучает энергию, его масса должна уменьшаться. Причем черная дыра излучает со временем все интенсивнее, поскольку, испаряясь, уменьшается. Этот процесс заканчивается мощнейшим всплеском излучения части всех сортов. Фотоны, являясь полноправными квантами, также излучаются, и вполне возможно, что некоторые фотоны, прилетающие на Землю, являются посланцами небольших черных дыр.
Первая космическая | обсерватория "Ухуру" ("свобода" - на языке суахили и одновременно единица измерения потока рентгеновских квантов, пролетающих через 1 см2 за 1 секунду), запущенная американцами в 1970 году, смогла зафиксировать гамма-излучение от более чем 350 источников галактического и внегалактического происхождения. Однако оказывается, что наряду с непрерывным потоком, измеряемым миллиардами гамма-квантов в секунду, существуют такие кванты, которые падают на нашу Землю всего по одному в секунду. Речь идет о частицах с энергиями, измеряемыми миллиардами гигаэлектрон-вольт. Это могут быть и заряженные частицы, как, например, протоны и электроны, и нейтральные гамма-кванты. По всему миру разбросано достаточно много таких обсерваторий, одна из которых - HEGRA, расположенная на Канарских островах, занимается регистрацией и анализом широких атмосферных ливней, порождаемых высокоэнергичными космическими гамма-квантами. В распоряжении ученых имеются различные приборы, которые размещены на площади в 40 тысяч квадратных метров. Эти инструменты детектируют заряженные частицы и фотоны, попадающие на поверхность Земли. Несколько затрудняет ситуацию то, что частицы, непосредственно прилетевшие из космоса, до поверхности Земли практически не долетают. Одна высокоэнергичная частица, сталкиваясь с атомным ядром молекул воздуха, вызывает поток новых частиц разных сортов. Те, в свою очередь, на пути к поверхности сталкиваются с ядрами и молекулами и также порождают новые частицы. Таким образом, одна очень энергичная частица, прилетевшая из космоса, генерирует широкий атмосферный ливень из разнообразных частиц на поверхности Земли. Регистрируя такой каскад, можно определить сорт частицы, инициировавшей этот ливень, и ее энергию. HE6RA способна регистрировать частицы очень высоких энергий, что невозможно для детекторов, выведенных в космос. Где и в каких природных ускорителях порождаются столь энергичные компоненты космических лучей, мы пока не знаем, но факт остается фактом - по космосу "гуляют" столь энергичные странники, что при столкновении с молекулами атмосферного газа они порождают лавину из миллионов вторичных частиц. Фиксируя этот ливень из элементарных частиц, можно определить не только энергию и направление прилета, но и тип исходной частицы. Интерес к высокоэнергичным компонентам космических лучей обусловлен еще и тем обстоятельством, что земные ускорители пока не могут разогнать частицы до столь больших энергий, и космос в данном случае помогает разгадывать тайны микромира.
В начало