Астрофізика космічних променів

Астрофізика, або, точніше, астрономія, – одна з найдавніших наук. Але вона не старіє і особливо бурхливо розвивається в останні роки. Нещодавно було зроблено кілька важливих, я б навіть сказав, приголомшливих, відкриттів. Але перш, ніж розповісти про них, треба пояснити, чим викликаний цей розквіт астрономії.

Астрономію до початку XVII століття можна назвати «дотелескопною». У 1610 році Г. Галілей побудував підзорну трубу і направив її на небо. Так в астрономію увійшов новий метод дослідження простору – за допомогою телескопа. Навіть те невелике збільшення, яке давав перший телескоп, дозволило Галілею побачити гори на Місяці, фази Венери і відкрити чотири найбільш яскравих супутника Юпітера.

Сучасні телескопи переглядають Всесвіт на відстань приблизно в п’ять мільярдів світлових років. Це приблизно половина радіуса Метагалактики. Як бачите, з часів першого телескопа багато що змінилося. Але ще порівняно недавно так само, як і в часи Галілея, основним джерелом інформації про космос служило видиме випромінювання. А бачимо ми в дуже вузькій ділянці спектру. Наші очі сприймають електромагнітні хвилі довжиною 0,00004-0,00008 см. (Деякі тварини бачать в більш широкому діапазоні довжин хвиль.) За допомогою приладів або фотографії можна «побачити» також невидимі оком ультрафіолетові та інфрачервоні промені. Але й тут можливості для спостережень із земної поверхні обмежені у зв’язку з впливом атмосфери.

Справа в тому, що атмосфера добре пропускає електромагнітні хвилі лише в порівняно вузькому «вікні прозорості» – 0,00003-0,0001 см. Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі коротше 0,00003 см і інфрачервоне випромінювання з хвилями довше 0,0001 см сильно поглинаються атмосферою.

Для астрономії останніх років характерне розширення спектра випромінювання, що приймається, включення в розгляд нових видів випромінювання, що приходять до нас з космосу. Саме це в першу чергу і призвело до прогресу астрономії в останні роки. Що ж це за нові джерела інформації?

Радіоастрономія почала розвиватися з 1945 року, хоча перші кроки в цій області були зроблені ще в 1932 році. У радіоастрономії в основному використовуються хвилі в діапазоні від сантиметрів до кількох метрів, але можуть застосовуватися і більш довгі хвилі – з довжиною хвилі до сотень метрів, далі заважає іоносфера. (Вона сильно впливає на хвилі довше 20-30 м). Якщо апаратуру, приймаючу випромінювання, підняти на супутнику за межі іоносфери, можна приймати радіохвилі завдовжки до двох-трьох кілометрів.

Методами радіоастрономії ми можемо досліджувати широкий спектр випромінювань, що приходить з космосу. Є така міра ширини спектра – «октава». Так от, якщо видимий спектр має ширину в одну октаву (довжина хвилі змінюється в два рази), то в радіоастрономії ми приймаємо спектр шириною в 17-18 октав. Зрозуміло, що, вивчаючи такий широкий спектр, ми отримуємо багату інформацію про космос.

Наступний канал інформації – космічні промені, тобто швидкі заряджені частинки, які потрапляють до нас на Землю з космосу. Зараз починає зароджуватися гамма-астрономія, в ній використовується саме «жорстке» електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше десятимільярдної частки сантиметра, тобто менше сотої частини ангстрема. Поки був проведений всього один дослід, так як експериментування в цій області пов’язано з великими труднощами: апаратуру доводиться піднімати на супутнику за межі атмосфери.

Хоча гамма-астрономія знаходиться поки ще в дитячому віці, фізики вже розробляють методи нейтринної астрономії, тобто методи дослідження навколишнього простору за допомогою нейтральних частинок – нейтрино.

Різні методи дослідження дозволяють подивитися на одне і те ж явище чи об’єкт з різних сторін і отримати відомості про абсолютно різні області цього об’єкта. Вони не дублюють один одного. Особливо добре це можна показати на прикладі Сонця.

Сонце являє собою розпечену газову кулю. Ми бачимо так звану фотосферу – область, що випускає видиме випромінювання. Але існують ще зовнішні області Сонця (корона), які настільки прозорі в оптичному відношенні, що ми їх зазвичай не бачимо. Корону без особливих зусиль можна бачити тільки під час повних сонячних затемнень. У діапазоні ж метрових радіохвиль все випромінювання приходить від корони. (Температура корони дорівнює приблизно одному мільйону градусів, а температура фотосфери – «всього» 6000 °).

Якщо на Сонці з’являються плями, його світність змінюється незначно (без приладів ви навіть не помітите цієї зміни). Радіояскравість ж при появі плям змінюється іноді в мільйони разів. Відбувається це тому, що основне джерело радіохвиль, що йдуть від Сонця, корона. Вона являє собою дуже розріджений іонізований газ. Коли щось відбувається на Сонці, це сильно впливає на корону.

Випромінювання, що виходить з внутрішніх областей Сонця, ми не бачимо. Нейтрино астрономія дозволить «побачити» центральну, найгарячішу частину Сонця, ту область, де йдуть ядерні реакції. Так різні методи дослідження, доповнюючи один одного, розширюють межі наших знань про навколишній світ.

Тепер я розповім про відкриття останніх років. Всі космонавти, повертаючись на Землю, розповідали, що небо чорне. Але якби вони дивилися на нього через «радіоокуляри», то бачили б світле небо. На хвилі 15 метрів небо сяє з яскравістю, що досягає 100 000 °, а на хвилі 30 метрів небо навіть яскравіше сонячної корони, яка, як відомо, має температуру 1000000 °. Чорна пляма на світлому фоні – так сприймається на цій хвилі Сонце; воно загороджує потужне радіовипромінювання неба.

Наше Сонце – потужне джерело радіохвиль. Але в радіодіапазоні, крім Сонця, ми бачимо ще два потужних джерела радіохвиль. Один з них в сузір’ї Кассіопеї, інший – в сузір’ї Лебедя. Яскравість цих джерел порівнянна з яскравістю Сонця, тобто в радіодіапазоні ми бачимо три «сонця». Обидва ці джерела радіовипромінювання були відкриті в 1948 році (втім, менш впевнено радіоджерело в Лебеді спостерігалося з 1946 року). Коли стали дивитися на гарні знімки тих ділянок неба, де знаходилися ці джерела, нічого не побачили. Думали, що відкрили новий тип астрономічних об’єктів, але виявилося, що це не так. Були зроблені спеціальні фотографії на кращих інструментах. При цьому в Кассіопеї була відкрита оболонка наднової зірки, що з’явилася в нашій Галактиці 250 років тому, а в Лебеді – далека галактика, яка знаходиться від нас на відстані 660 000 000 світлових років.

Що таке, наднова зірка? Це вибух (спалах) зірки. Такі вибухи відбуваються в нашій галактичній системі (наша галактична система налічує 100 мільярдів зірок) приблизно раз на сто років.

Назва «наднова» не зовсім вдала. Іноді спостерігається, що яскравість зірки несподівано зростає в мільйони разів. Тоді кажуть, що спалахнула «нова» зірка. Якщо яскравість зірки зросла в мільярди разів, кажуть, що спалахнула «наднова» зірка. Така зірка може виявитися навіть яскравіше тієї галактики, в якій стався її спалах. Наприклад, спостерігають деяку галактику. Потім її яскравість зросла рази в два. Тоді можна з впевненістю сказати, що в галактиці спалахнула наднова зірка.

Крабоподібна туманність, яку ми бачимо зараз в сузір’ї Тельця, являє собою залишок наднової зірки, що спалахнула в 1054 році. Кілька місяців, в період найбільшої яскравості, вона була видна вдень неозброєним оком. При вибуху наднова зірка скидає оболонку, яка розширюється з великою швидкістю.

Крабоподібна туманність розширюється зі швидкістю 1000 км / сек. Зараз її радіус – три світлові роки. У Кассіопеї спалахнула більш потужна наднова. Швидкість розширення її в деяких напрямках досягає 8000 км / сек.! (Згадаймо, що близький супутник Землі летить зі швидкістю 8 км / сек.)

У минулому році були відкриті астрономічні об’єкти, що отримали назву «надзірок». Зараз ми знаємо п’ять таких об’єктів. Раніше їх вважали зірками. Надзірка ЗС 273-В (це номер радіоджерела по 3-му Кембриджському каталогу) видна як зірка 12-ї величини. Кілька років тому виявили, що вона випромінює радіохвилі. Це привернуло до неї увагу, так як раніше жодна зірка не була відома як джерело потужного радіовипромінювання. Спочатку припустили, що зірка ЗС 273-В – невідомий нам раніше вид зірок, що випускають потужне радіовипромінювання. Але в 1963 році з’ясувалося, що це не зірка, а далека галактика, яка знаходиться від нас на відстані у півтора мільярда світлових років. Саме тому, що вона розташована так далеко, ми і спостерігаємо її як такий точковий об’єкт. Ця галактика надзвичайно яскрава – у сто разів яскравіше нашої Галактики. Але й це ще не все. Виявилося, що блиск об’єкта ЗС 273-В змінюється протягом тижня рази в два, тобто об’єкт має змінну яскравість.

Треба пояснити, що яскравість галактики змінюватись не може. Вірніше, може, але не з таким невеликим періодом. Наприклад, світло через нашу Галактику за її діаметром йде сто тисяч років. Отже, якщо з Галактикою щось трапиться, то час зміни її блиску складе десятки тисяч років.

Зараз всі астрономи «дивляться» на джерело ЗС 273-В. Є всі підстави вважати, що ЗС 273-В – це не звичайна галактика, а невідомий нам раніше астрономічний об’єкт. Поки його характеризують терміном «надзірка». Це, мабуть, якась гігантська випромінююча куля, діаметр якої не перевершує одного світлового тижня (відстань в один світловий тиждень дорівнює приблизно 200 мільярдам кілометрів, діаметр земної орбіти – 300 мільйонам кілометрів), але світить в 100 разів яскравіше всієї нашої Галактики, розміри якої – десятки тисяч світлових років. Крім того надзірка, а точніше, навколишня її область, дає потужне радіовипромінювання.

Який механізм цього радіовипромінювання? І ось тут-то ми підходимо до тієї ролі, яку відіграють космічні промені у Всесвіті. Оптичне випромінювання пов’язано з переходом електронів в атомі на орбіти, розташовані ближче до ядра. Якщо налітаючий на ядро електрон лише відхиляється, але не переходить на замкнуту орбіту, тобто не захоплюється ядром, то електромагнітне випромінювання, що виникає при цьому називається гальмівним. Гальмівне радіовипромінювання є відносно слабким. Основне ж джерело нетеплового радіовипромінювання – космічні промені. Це одне з фундаментальних положень, тому я хочу його пояснити.

Як відомо, космічні промені являють собою заряджені частинки, які потрапляють до нас з космосу. Велика частина космічних променів має енергію порядку 1 – 10000000000 електроновольт (таку енергію дає синхрофазотрон, встановлений в Дубні). У складі космічних променів є й певна кількість електронів. Коли заряджена частинка рухається по прямій з постійною швидкістю, вона не випромінює електромагнітних хвиль. Якщо ж електрон рухається з прискоренням, то яка б не була природа цього прискорення, він випромінює електромагнітні хвилі. (Зокрема, це відбувається при гальмівному випромінюванні, про який йшлося вище.) У міжзоряному просторі, як відомо, присутні слабкі магнітні поля. Вони слабкіше магнітного поля Землі в 100000 разів, але ці поля займають величезні простори, і якщо в них потрапляє частинка, вони її закручують. Рухаючись у магнітному полі, електрон випромінює електромагнітні хвилі. Це випромінювання називається магнітотормозним, або синхротронним.

Магнітні поля «перемішують» космічні промені, і вони приходять до нас рівномірно з різних сторін (ізотропно). 10-13 років тому здавалося, що немає ніякої можливості визначити, звідки ж приходять до нас космічні промені. І ось радіоастрономія змінила справу. Це дуже типово: нові методи відкривають нові можливості. Отже, космічні промені, рухаючись в магнітних полях, випромінюють радіохвилі, які поширюються в космосі за прямими лініями. Отже, там, звідки йде потужне радіовипромінювання, є космічні промені. Наприклад, потужне радіовипромінювання дають радіогалактики (до їх числа належить галактика в Лебеді, про яку йшлося вище). Отже, там багато космічних променів. Об’єкт ЗС 273-В – джерело радіохвиль, там теж є космічні промені і т. д. Радіохвилі – джерело інформації. Приймаючи їх, ми дізнаємося, скільки космічних променів знаходиться в областях, звідки прийшли радіохвилі, яка енергія цих променів.

Зараз ми дізналися багато нового щодо ролі космічних променів у Всесвіті. Раніше в астрономії враховували тільки силу тяжіння. Тепер становище змінилося. Виявилося, що в космосі поряд з силами тяжіння величезну роль грають магнітні сили і тиск космічних променів. Звичайно, космічні промені нічого не можуть зробити із зіркою, маса якої велика. Але якщо мова йде про газ, щільність якого незначна, то тиск космічних променів робить на нього навіть більший вплив, ніж сили тяжіння. Наприклад, вибух галактики, що перетворює її в Радіогалактику, в даний час ми уявляємо собі так; в галактичному ядрі з якихось причин утворилося багато космічних променів, вони створюють колосальний тиск і викидають міжзоряний газ назовні. Таким чином, космічні промені є потужним динамічним і енергетичним фактором у Всесвіті.

На закінчення я хочу зупинитися на питаннях, які, ймовірно, привернуть до себе велику увагу найближчим часом. Вони також пов’язані з космічними променями і більш конкретно – з гамма-астрономією. Виявилося, що космічні промені породжують не тільки радіохвилі, але й гамма-промені. При цьому гамма-випромінювання вони дають досить-таки хитрим способом.

Відомий так званий Комптон-ефект. Він полягає в тому, що жорсткий фотон (гамма-квант) падає на спочиваючий електрон і передає йому частину своєї енергії, змушуючи рухатися. Гамма-випромінювання, яке дають космічні промені, пов’язано, так би мовити, із зворотним комптон-ефектом.

Уявіть собі, що швидкий релятивістський електрон (тобто електрон, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла) стикається з оптичним фотоном, одним з тих фотонів, які випускаються зірками. Електрон має велику енергію, вимірювану мільярдами електроновольт, а фотон – маленьку: всього один електроновольт. Коли відбувається зіткнення, то електрон частину енергії втрачає, а оптичний фотон набуває і стає жорстким фотоном з великою енергією. Так космічні промені народжують гамма-промені.

Об’єкт ЗС 273-В, про який я вже говорив, світить надзвичайно яскраво. Яка природа цього оптичного випромінювання? Воно не схоже по спектру на випромінювання інших зірок. На це питання допоможе відповісти зароджувана гамма-астрономія.

Є припущення, що оптичне випромінювання об’єкта ЗС 273-В цілком є магнітотормозним, тобто його дають релятивістські електрони. (Саме такий механізм значної частини випромінювання Крабовидної туманності). Як перевірити, що випромінювання об’єкта ЗС 273-В теж має магнітотормозну природу? Є різні шляхи, я розповім про один з них.

Раз об’єкт ЗС 273-В випускає так багато світла, то у його поверхні є колосальна кількість оптичних фотонів. Тому релятивістські електрони, стикаючись з цими фотонами, дадуть біля поверхні об’єкта ЗС 273-В дуже багато гама-променів. Отже, якщо природа оптичного випромінювання об’єкта ЗС 273-В магнітотормозна, то він повинен бути найпотужнішим джерелом гамма-променів. Цих променів повинно бути так багато, що навіть у Землі, що так далеко від джерела, інтенсивність гамма-випромінювання від об’єкта ЗС 273-В повинна бути порівнянна з гамма-випромінюванням всієї нашої Галактики. Бути може, саме так вдасться встановити природу оптичного випромінювання об’єкта ЗС 273-В.

Це, звичайно, лише одне із завдань, що стоять перед гамма-астрономією. Є й інші проблеми, які допоможе вирішити вивчення космічних гамма-променів. Тому можна думати і сподіватися, що в найближчі роки гамма-астрономія перетвориться на один з найбільш плідних нових напрямків стародавньої науки – астрономії.

Автор: В. Гінзбург.