Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

• Название: Занимательная астрофизика
• Автор: Виктор Комаров
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Научпоп
• Год: 1984

Книга в популярной и занимательной форме знакомит читателей с наиболее интересными проблемами современной астрофизики, с не обычными физическими объектами в космосе: пульсарами, квазарами, радиогалактиками, черными: дырами, источниками: рентгеновского и гамма-излучения, а также с наиболее интересными вопросами современной космологии. В книге рассказывается о новых методах познания Вселенной, об открытиях, сделанных в последние годы. Специальный раздел посвящен проблеме поиска разумной жизни во Вселенной.

Для иллюстрации вопросов астрофизики авторы в ряде случаев прибегают к помощи научной фантастики.

Под редакцией В, М. Чаругина.

---

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 4. α-, β- и γ-излучение.

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

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

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

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

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

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

Взгляд в завтрашний день

До сих пор мы знакомились только с электромагнитными носителями космической информации. Однако, как уже было отмечено выше, вестниками космических процессов могут служить и корпускулярные излучения, потоки частиц.