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 различных 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.
Исследования космоса в оптическом диапазоне начались еще в те времена, когда человек просто разглядывал звезды. Это пассивное созерцание было достаточно продуктивным и позволяло не только предсказывать лунные и солнечные затмения, но и помогло сформулировать основные законы Небесной Механики. Однако истинным началом астрономии стало только изобретение Галилеем телескопа. Сейчас уже понятно, что электромагнитные волны оптического диапазона, то есть видимый свет, – лишь небольшая доля космического излучения, прилетающего на Землю. Кроме квантов света самой разной энергии нас непрерывно бомбардируют потоки электронов, протонов, нейтрино и, возможно, других элементарных частиц, которые еще предстоит открыть.
Наблюдения с Земли в рентгеновском диапазоне в чистом виде невозможны, поскольку электромагнитные волны поглощаются атмосферой тем сильнее, чем меньше их длина. Ультрафиолетовые лучи ослабляются воздухом гораздо эффективнее, чем видимый свет. Рентгеновское и гамма-излучение затухают еще сильнее и практически не достигают поверхности Земли. Избавиться от этого крайне нежелательного эффекта можно, только поместив приборы в открытый космос. Вселенная, оказывается, настолько пустынна, что наша тонкая 10-километровая атмосфера по поглощающей способности равнозначна миллиардам световых лет межгалактического пространства. Впрочем, и наблюдения с земной поверхности могут рассказать ученым много интересного о космических лучах.
Первые исследования в гамма-диапазоне были проведены в 1962 году, когда ракета подняла детекторы в верхние слои атмосферы. Всего три минуты длились измерения, но и этого времени хватило, чтобы обнаружить совершенно новый необычный объект, который позднее идентифицировали как нейтронную звезду. В 1960-е годы, до начала регулярных исследований с помощью специальных рентгеновских обсерваторий «Ухуру» и «Эйнштейн», было открыто всего два источника рентгеновского и гамма-излучения – Крабовидная туманность и странная звезда Скорпион Х-1. В настоящее время детекторы гамма-излучения установлены на многих спутниках, которые, летая в безвоздушном пространстве, ведут непрерывный мониторинг дальнего космоса. Запуски двух новых рентгеновских обсерваторий – «Чандра» (Chandra), принадлежащей NASA, и «Ньютон» (XMM-Newton) Европейского Космического Агентства позволили получить качественно новую информацию об источниках рентгеновского излучения в космосе.
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.
Некоторые звезды заканчивают свое существование взрывом, после которого остаются плотный, слабо светящийся объект и расширяющееся горячее газовое облако, которое излучает фотоны самых разных энергий, включая рентгеновский диапазон. Наиболее изученная и знаменитая Крабовидная туманность вместе с оставшимся после взрыва пульсаром производит не только радиоволны и рентгеновское излучение, видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет, но и гамма-кванты с энергией до 10 млн. гигаэлектронвольт. Причем основную долю излучения, от радио до рентгена, дают релятивистские электроны, кружащие в мощном магнитном поле пульсара и туманности. Данные, полученные обсерваторией «Чандра», настолько точны, что позволяют определять скорости различных частей даже очень удаленных туманностей, образовавшихся после взрыва сверхновых. Оказалось, например, что некоторые области остатка сверхновой E0102-72 в Малом Магеллановом Облаке движутся в нашу сторону, но волноваться не стоит – газ дойдет до нас через миллионы лет остывшим и разреженным.
Слабо светящийся объект, остающийся после взрыва, – это, как правило, нейтронная звезда или черная дыра. Вообще говоря, подобный объект обнаружить довольно трудно. Но астрономам уже давно известно, что звезды любят собираться парами, и таких двойных систем уже обнаружено множество. Если же одним из членов пары оказалась нейтронная звезда или черная дыра, то такая пара будет мощным источником рентгеновского и гамма-излучения. Аккреция (захват) вещества из нормальной соседней звезды выдает присутствие темного и слабоизлучающего объекта.
Обсерватория «Чандра» обнаружила в скоплении 47 Тукана неожиданно большое число таких экзотических звездных систем. Вообще «нормальные» звезды излучают в оптическом диапазоне. Чтобы излучение стало более жестким, нужны особые условия. Такие условия создаются в двойных звездах – системе из нормальной звезды и компактного объекта – белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры. В этом случае частицы из нормальной звезды, захваченные ее соседом, движутся с колоссальным ускорением и излучают фотоны различных энергий. Если «захватчиком» является нейтронная звезда или белый карлик, то при ударе об их поверхность излучается дополнительная энергия. Кстати, у черной дыры видимая твердая поверхность отсутствует и, следовательно, не будет и дополнительного излучения. Это один из способов отличить черную дыру от нейтронной звезды.
В скоплении 47 Тукана оказалось немало двойных звезд, активно излучающих в рентгеновском диапазоне, что означает, что там много черных дыр или нейтронных звезд. Вместе с тем выяснилось, что в скоплении, похоже, нет большой центральной черной дыры. «Большой», точнее «сверхмассивной», черной дырой обычно называется та, масса которой не менее миллиона солнечных масс. Так что дыры с массой порядка тысячи солнечной вполне могут присутствовать в этом скоплении. О необычности нейтронных звезд и ассоциируемых с ними рентгеновских пульсарах, барстерах (от англ. «burst» – вспышка, взрыв), так же как и о магнетарах, рассказывалось в июльском номере нашего журнала, поэтому на этих объектах подробнее останавливаться мы не будем.
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
