Астрофизика космических лучей

Астрофизика, или, точнее, астрономия, — одна из древнейших наук. Но она не стареет и особенно бурно развивается в последние годы. Недавно было сделано несколько важных, я бы даже сказал, потрясающих, открытий. Но прежде, чем рассказать о них, надо пояснить, чем вызван этот расцвет астрономии.

Астрономию до начала XVII века можно назвать «дотелескопной». В 1610 году Г. Галилей построил подзорную трубу и направил ее на небо. Так в астрономию вошел новый метод исследования пространства — с помощью телескопа. Даже то небольшое увеличение, которое давал первый телескоп, позволило Галилею увидеть горы на Луне, фазы Венеры и открыть четыре наиболее ярких спутника Юпитера.

Современные телескопы просматривают Вселенную на расстояние примерно в пять миллиардов световых лет. Это приблизительно половина радиуса Метагалактики. Как видите, со времен первого телескопа многое изменилось. Но еще сравнительно недавно так же, как и во времена Галилея, основным источником информации о космосе служило видимое излучение. А видим мы в очень узком участке спектра. Наши глаза воспринимают электромагнитные волны длиною 0,00004—0,00008 см. (Некоторые животные видят в более широком диапазоне длин волн.) С помощью приборов или фотографии можно «увидеть» также невидимые глазом ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Но и здесь возможности для наблюдений с земной поверхности ограничены в связи с влиянием атмосферы.

Дело в том, что атмосфера хорошо пропускает электромагнитные волны лишь в сравнительно узком «окне прозрачности» — 0,00003—0,0001 см. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 0,00003 см и инфракрасное излучение с волнами длиннее 0,0001 см сильно поглощаются атмосферой.

Для астрономии последних лет характерно расширение спектра принимаемого излучения, включение в рассмотрение новых видов излучения, приходящих к нам из космоса. Именно это в первую очередь и привело к прогрессу астрономии в последние годы. Что же это за новые источники информации?

Радиоастрономия начала развиваться с 1945 года, хотя первые шаги в этой области были сделаны еще в 1932 году. В радиоастрономии в основном используются волны в диапазоне от сантиметров до нескольких метров, но могут применяться и более длинные волны — с длиной волны до сотен метров, дальше мешает ионосфера. (Она сильно влияет на волны длиннее 20—30 м). Если аппаратуру, принимающую излучение, поднять на спутнике за пределы ионосферы, можно принимать радиоволны длиною до двух-трех километров.

Методами радиоастрономии мы можем исследовать широкий спектр приходящего из космоса излучения. Есть такая мера ширины спектра — «октава». Так вот, если видимый спектр имеет ширину в одну октаву (длина волны меняется в два раза), то в радиоастрономии мы принимаем спектр шириной в 17—18 октав. Понятно, что, изучая такой широкий спектр, мы получаем богатую информацию о космосе.

Следующий канал информации — космические лучи, то есть быстрые заряженные частицы, которые попадают к нам на Землю из космоса. Сейчас начинает зарождаться гамма-астрономия, в ней используется самое «жесткое» электромагнитное излучение с длиной волны меньше десятимиллиардной доли сантиметра, то есть меньше сотой части ангстрема. Пока был проведен всего один опыт, так как экспериментирование в этой области связано с большими трудностями: аппаратуру приходится поднимать на спутнике за пределы атмосферы.

Хотя гамма-астрономия находится пока еще в младенческом возрасте, физики уже разрабатывают методы нейтринной астрономии, то есть методы исследования окружающего нас пространства с помощью нейтральных частичек — нейтрино.

Различные методы исследования позволяют посмотреть на одно и то же явление или объект с разных сторон и получить сведения о совершенно разных областях этого объекта. Они не дублируют друг друга. Особенно хорошо это можно показать на примере Солнца.

Солнце представляет собой раскаленный газовый шар. Мы видим так называемую фотосферу — область, испускающую видимое излучение. Но существуют еще внешние области Солнца (корона), которые столь прозрачны в оптическом отношении, что мы их обычно не видим. Корону без особого труда можно видеть только во время полных солнечных затмений. В диапазоне же метровых радиоволн все излучение приходит от короны. (Температура короны равна примерно одному миллиону градусов, а температура фотосферы — «всего» 6 000°).

Если на Солнце появляются пятна, его светимость меняется незначительно (без приборов вы даже не заметите этого изменения). Радиояркость же при появлении пятен меняется иногда в миллионы раз. Происходит это потому, что основной источник радиоволн, идущих от Солнца, корона. Она представляет собой очень разреженный ионизированный газ. Когда что-то происходит на Солнце, это сильно воздействует на корону.

Излучения, исходящего из внутренних областей Солнца, мы не видим. Нейтринная астрономия позволит «увидеть» центральную, самую горячую часть Солнца, ту область, где идут ядерные реакции. Так различные методы исследования, дополняя друг друга, расширяют границы наших знаний об окружающем мире.

Теперь я расскажу об открытиях последних лёт. Все космонавты, возвращаясь на Землю, рассказывали, что небо черное. Но если бы они смотрели на него через «радиоочки», то видели бы светлое небо. На волне 15 метров небо сияет с яркостью, достигающей 100 000°, а на волне 30 метров небо даже ярче солнечной короны, которая, как известно, имеет температуру 1 000 000°. Черное пятно на светлом фоне — так воспринимается на этой волне Солнце; оно загораживает мощное радиоизлучение неба.

Наше Солнце — мощный источник радиоволн. Но в радиодиапазоне, кроме Солнца, мы видим еще два мощных источника радиоволн. Один из них в созвездии Кассиопеи, другой — в созвездии Лебедя. Яркость этих источников сравнима с яркостью Солнца, то есть в радиодиапазоне мы видим три «солнца». Оба эти источника радиоизлучения были открыты в 1948 году (впрочем, менее уверенно радиоисточник в Лебеде наблюдался с 1946 года). Когда стали смотреть на хорошие снимки тех участков неба, где находились эти источники, ничего не увидели. Думали, что открыли новый тип астрономических объектов, но оказалось, что это не так. Были сделаны специальные фотографии на лучших инструментах. При этом в Кассиопее была открыта оболочка сверхновой звезды, вспыхнувшей в нашей Галактике 250 лет назад, а в Лебеде — далекая галактика, которая находится от нас на расстоянии 660 миллионов световых лет.

Что такое, сверхновая звезда? Это взрыв (вспышка) звезды. Такие взрывы происходят в нашей галактической системе (наша галактическая система насчитывает 100 миллиардов звезд) примерно раз в сто лет.

Название «сверхновая» не совсем удачное. Иногда наблюдается, что яркость звезды неожиданно возрастает в миллионы раз. Тогда говорят, что вспыхнула «новая» звезда. Если яркость звезды возросла в миллиарды раз, говорят, что вспыхнула «сверхновая» звезда. Такая звезда может оказаться даже ярче той галактики, в которой произошла ее вспышка. Например, наблюдают некоторую галактику. Затем ее яркость возросла раза в два. Тогда можно с уверенностью сказать, что в галактике вспыхнула сверхновая звезда.

Крабовидная туманность, которую мы видим сейчас в созвездии Тельца, представляет собой остаток сверхновой звезды, вспыхнувшей в 1054 году. Несколько месяцев, в период наибольшей яркости, она была видна днем невооруженным глазом. При взрыве сверхновая звезда сбрасывает оболочку, которая расширяется с большой скоростью.

Крабовидная туманность расширяется со скоростью 1 000 км/сек. Сейчас ее радиус — три световых года. В Кассиопее вспыхнула более мощная сверхновая. Скорость расширения ее в некоторых направлениях достигает 8 000 км/сек.! (Вспомним, что близкий спутник Земли летит со скоростью 8 км/сек.)

В прошлом году были открыты астрономические объекты, получившие название «сверхзвезд». Сейчас мы знаем пять таких объектов. Раньше их считали звездами. Сверхзвезда ЗС 273-В (это номер радиоисточника по 3-му Кембриджскому каталогу) видна как звезда 12-й величины. Несколько лет назад обнаружили, что она излучает радиоволны. Это привлекло к ней внимание, так как раньше ни одна звезда не была известна как источник мощного радиоизлучения. Вначале предположили, что звезда ЗС 273-В — неизвестный нам ранее вид звезд, испускающих мощное радиоизлучение. Но в 1963 году выяснилось, что это не звезда, а далекая галактика, которая находится от нас на расстоянии в полтора миллиарда световых лет. Именно потому, что она расположена так далеко, мы и наблюдаем ее как такой точечный объект. Эта галактика необычайно яркая — в сто раз ярче нашей Галактики. Но и это еще не все. Оказалось, что блеск объекта ЗС 273-В меняется в течение недели раза в два, то есть объект имеет переменную яркость.

Надо пояснить, что яркость галактики меняться не может. Вернее, может, но не с таким небольшим периодом. Например, свет через нашу Галактику по ее диаметру идет сто тысяч лет. Следовательно, если с Галактикой что-то случится, то время изменения ее блеска составит десятки тысяч лет.

Сейчас все астрономы «смотрят» на источник ЗС 273-В. Есть все основания считать, что ЗС 273-В — это не обычная галактика, а неизвестный нам ранее астрономический объект. Пока его характеризуют термином «сверхзвезда». Это, видимо, какой-то гигантский излучающий шар, диаметр которого не превосходит одной световой недели (расстояние в одну световую неделю равно примерно 200 миллиардам километров, диаметр земной орбиты — 300 миллионам километров), но светящий в 100 раз ярче всей нашей Галактики, размеры которой — десятки тысяч световых лет. Кроме того сверхзвезда, а точнее, окружающая ее область, дает мощное радиоизлучение.

Каков механизм этого радиоизлучения? И вот тут-то мы подходим к той роли, которую играют космические лучи во Вселенной. Оптическое излучение связано с переходом электронов в атоме на орбиты, расположенные ближе к ядру. Если налетающий на ядро электрон лишь отклоняется, но не переходит на замкнутую орбиту, то есть не захватывается ядром, то возникающее при этом электромагнитное излучение называется тормозным. Тормозное радиоизлучение является относительно слабым. Основной же источник нетеплового радиоизлучения — космические лучи. Это одно из фундаментальных положений, поэтому я хочу его пояснить.

Как известно, космические лучи представляют собой заряженные частицы, попадающие к нам из космоса. Большая часть космических лучей имеет энергию порядка 1 — 10 миллиардов электроновольт (такую энергию дает синхрофазотрон, установленный в Дубне). В составе космических лучей есть и некоторое количество электронов. Когда заряженная частица движется по прямой с неизменной скоростью, она не излучает электромагнитных волн. Если же электрон движется с ускорением, то какова бы ни была природа этого ускорения, он излучает электромагнитные волны. (В частности, это происходит при тормозном излучении, о котором речь шла выше.) В межзвездном пространстве, как известно, присутствуют слабые магнитные поля. Они слабее магнитного поля Земли в 100 000 раз, но эти поля занимают огромные пространства, и если в них попадает частица, они ее закручивают. Двигаясь в магнитном поле, электрон излучает электромагнитные волны. Это излучение называется магнитотормозным, или синхротронным.

Магнитные поля «перемешивают» космические лучи, и они приходят к нам равномерно с разных сторон (изотропно). 10—13 лет назад казалось, что нет никакой возможности определить, откуда же приходят к нам космические лучи. И вот радиоастрономия изменила дело. Это очень типично: новые методы открывают новые возможности. Итак, космические лучи, двигаясь в магнитных полях, излучают радиоволны, которые распространяются в космосе по прямым линиям. Следовательно, там, откуда идет мощное радиоизлучение, есть космические лучи. Например, мощное радиоизлучение дают радиогалактики (к их числу принадлежит галактика в Лебеде, о которой речь шла выше). Следовательно, там много космических лучей. Объект ЗС 273-В — источник радиоволн, там тоже есть космические лучи и т. д. Радиоволны — источник информации. Принимая их, мы узнаем, сколько космических лучей находится в областях, откуда пришли радиоволны, какова энергия этих лучей.

Сейчас мы узнали много нового относительно роли космических лучей во Вселенной. Раньше в астрономии учитывали только силу тяготения. Теперь положение изменилось. Оказалось, что в космосе наряду с силами тяготения огромную роль играют магнитные силы и давление космических лучей. Конечно, космические лучи ничего не могут сделать со звездой, масса которой велика. Но если речь идет о газе, плотность которого незначительна, то давление космических лучей оказывает на него даже большее влияние, чем силы тяготения. Например, взрыв галактики, превращающий ее в радиогалактику, в настоящее время мы представляем себе так; в галактическом ядре по каким-то причинам образовалось много космических лучей, они создают колоссальное давление и выбрасывают межзвездный газ наружу. Таким образом, космические лучи являются мощным динамическим и энергетическим фактором во Вселенной.

В заключение я хочу остановиться на вопросах, которые, вероятно, привлекут к себе большое внимание в ближайшее время. Они также связаны с космическими лучами и более конкретно — с гамма-астрономией. Оказалось, что космические лучи порождают не только радиоволны, но и гамма-лучи. При этом гамма-излучение они дают довольно-таки хитрым способом.

Известен так называемый комптон-эффект. Он заключается в том, что жесткий фотон (гамма-квант) падает на покоящийся электрон и передает ему часть своей энергии, заставляя двигаться. Гамма-излучение, которое дают космические лучи, связано, так сказать, с обратным комптон-эффектом.

Представьте себе, что быстрый релятивистский электрон (то есть электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света) сталкивается с оптическим фотоном, одним из тех фотонов, которые испускаются звездами. Электрон имеет большую энергию, измеряемую миллиардами электроновольт, а фотон — маленькую: всего один электроновольт. Когда происходит столкновение, то электрон часть энергии теряет, а оптический фотон приобретает и становится жестким фотоном с большой энергией. Так космические лучи рождают гамма-лучи.

Объект ЗС 273-В, о котором я уже говорил, светит необычайно ярко. Какова природа этого оптического излучения? Оно не похоже по спектру на излучение других звезд. На этот вопрос поможет ответить зарождающаяся гамма-астрономия.

Есть предположение, что оптическое излучение объекта ЗС 273-В целиком является магнитотормозным, то есть его дают релятивистские электроны. (Именно таков механизм значительной части излучения Крабовидной туманности). Как проверить, что излучение объекта ЗС 273-В тоже имеет магнитотормозную природу? Есть разные пути, я расскажу об одном из них.

Раз объект ЗС 273-В испускает так много света, то у его поверхности имеется колоссальное количество оптических фотонов. Поэтому релятивистские электроны, сталкиваясь с этими фотонами, дадут у поверхности объекта ЗС 273-В очень много гамма- лучей. Следовательно, если природа оптического излучения объекта ЗС 273-В магнитотормозная, то он должен быть мощнейшим источником гамма-лучей. Этих лучей должно быть так много, что даже у Земли, так далеко от источника, интенсивность гамма-излучения от объекта ЗС 273-В должна быть сравнима с гамма-излучением всей нашей Галактики. Быть может, именно так удастся установить природу оптического излучения объекта ЗС 273-В.

Это, конечно, лишь одна из задач, стоящих перед гамма-астрономией. Имеются и другие проблемы, которые поможет решить изучение космических гамма-лучей. Поэтому можно думать и надеяться, что в ближайшие годы гамма-астрономия превратится в одно из плодотворнейших новых направлений древней науки — астрономии.

Автор: В. Гинзбург.