С незапамятных времен астрономам известно, что время от времени на небе появляются звезды, дотоле не наблюдавшиеся. В тех случаях, когда неожиданно вспыхнувшая звезда бывает достаточно яркой, она «нарушает» привычную конфигурацию созвездия, в котором она вспыхнула, и невольно обращает на себя внимание людей, хотя и далеких от астрономии, но знающих звездное небо. Заметим, однако, что такие яркие вспышки бывают редко. Исторические хроники донесли до нас свидетельства о таких удивительных явлениях, случившихся много веков назад (см. эпиграф к этой части книги). В большинстве же случаев странные звезды бывают слабыми и редко их можно видеть невооруженным глазом. С давних времен эти удивительные звезды получили название «новых». Как уже давно установлено, новые звезды — это галактические объекты. В максимуме блеска их абсолютная величина достигает значения -7 и даже ярче. Это означает, что их светимость в десятки и сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. Через несколько месяцев их блеск сильно падает и наконец они «стабилизируются» как карликовые, горячие звездочки очень низкой светимости. Уже довольно давно было показано, что подавляющее большинство (если не все) новых звезд представляют собой тесные двойные системы. Ежегодно в нашей звездной системе — Галактике — вспыхивает несколько десятков новых звезд, причем только малая их часть доступна астрономическим наблюдениям, так как большинство их весьма удалено и скрыто от нас поглощающей свет межзвездной пылевой средой. В § 14 мы уже немного беседовали об этих звездах в связи с проблемой эволюции в двойных звездных системах. Напомним, что одни и те же новые звезды вспыхивают многократно, через довольно значительные промежутки времени, исчисляемые сотнями и тысячами лет. Существенно подчеркнуть, однако, что при всей грандиозности явления такой вспышки оно не связано с коренным изменением структуры звезды и тем более ее разрушением. После очередной вспышки звезда возвращается примерно в то же состояние, в котором она пребывала до вспышки. Изредка, однако, астрономы наблюдают неизмеримо более грандиозное явление — взрывы звезд, сопровождаемые радикальными изменениями их структуры. К этому выводу, однако, астрономы пришли далеко не сразу.

Началось с того, что 31 августа 1885 г. на старейшей обсерватории нашей страны, находящейся в городе Тарту, астроном Гартвиг обнаружил новую звезду, находящуюся довольно близко от ядра туманности Андромеды. Эта звезда имела блеск около 6,5 звездной величины, т. е. люди с острым зрением могли бы ее видеть без всяких оптических инструментов.

Видимая звездная величина всей туманности Андромеды близка к 4,5 величины. Это означает, что поток излучения от вспыхнувшей новой звезды был всего лишь в 6,25 раза меньше, чем от всей туманности. Так как не подлежало сомнению, что звезда вспыхнула в самой туманности, то это означает, что ее светимость была в 6,25 раза меньше светимости туманности Андромеды.

Ни Гартвиг, ни его современники еще не знали, что туманность Андромеды — это не просто «клочок светящегося вещества», расположенный сравнительно близко от Солнца, а гигантский звездный остров, насчитывающий несколько сотен миллиардов звезд. Тогда само слово «галактика» еще не существовало. Правда, еще со времен Ламберта (XVIII век) в астрономии получила распространение концепция «островных вселенных», согласно которой уже известные тогда спиральные туманности представляют собой огромные коллективы звезд, погруженные в газово-пылевую, весьма разреженную среду. Согласно этой концепции наша Галактика, наблюдаемая в виде полосы Млечного Пути, такая же «островная вселенная», как и весьма удаленные от нас спиральные туманности. Однако глубокая идея Ламберта носила чисто умозрительный характер. Физически обоснованного метода определения расстояний до спиральных туманностей тогда еще не было. Только в начале 20-х годов нашего столетия концепция «островных вселенных» была доказана и стала прочным завоеванием науки.

Поэтому мы должны прежде всего удивиться грандиозности явления, наблюдавшегося тартуским астрономом. Подумать только! Ведь туманность Андромеды, как сейчас известно, удалена от нас на расстояние 600 000 пс, т. е. свыше 2 миллионов световых лет! И вот на таком чудовищно большом расстоянии вспыхивает звезда, которая чуть ли не видна простым глазом! Заметим в этой связи, что даже самые яркие звезды, которые были обнаружены в этой туманности (что, кстати сказать, послужило основным доказательством справедливости концепции «островных вселенных»), имеют ничтожно малую видимую звездную величину порядка 20. А все звезды этой гигантской галактики (превосходящей нашу Галактику, также являющуюся гигантским объектом), число которых составляет сотни миллиардов, излучали всего лишь в 6,25 раза больше, чем одна звезда. Вот это фейерверк!

Из наблюдений Гартвига можно было восстановить кривую блеска (т. е. зависимость звездной величины от времени) этой звезды. Так, например, за две недели до максимума ее блеск соответствовал 9-й звездной величине, в то время как за год до этого на месте этой звезды ничего нельзя было обнаружить — значит, она была слабее 15-й величины. Начиная с марта следующего, 1886 г. эту звезду уже нельзя было обнаружить даже в самые большие телескопы.

В последние десятилетия в гигантской удаленной звездной системе туманности Андромеды систематически наблюдаются обычные новые звезды. В максимуме блеска они бывают 17—18-й звездной величины. Их наблюдается ежегодно несколько десятков — примерно столько же, сколько вспыхивает в нашей Галактике. Отсюда следует, что Новая 1885 г. действительно представляла собой совершенно незаурядное явление — она была примерно на 12 величин ярче обычных новых. Это означает, что ее светимость в максимуме блеска была в десятки тысяч раз больше, чем у обычных новых.

Между 1885 и 1920 гг. наблюдалось несколько вспышек ярких новых в ближайших к нам внегалактических туманностях — галактиках. В высшей степени интересной была вспышка такой звезды в июле 1895 г. в туманности NGC 5253. Эта звезда, получившая название Z Центавра, в максимуме блеска имела звездную величину, равную 7,2. Весьма любопытно, что сама галактика NGC 5253 на пять величин (т. е. в 100 раз!) слабее. Правда, это карликовая галактика, не чета туманности Андромеды или нашей Галактике, но все же там имеется несколько миллиардов звезд. Значит, одна звезда в течение короткого времени излучала в 100 раз больше, чем миллиарды звезд всей этой галактики! Есть чему удивляться. История повторяется: в 1972 г. в той же галактике NGC 5253 вспыхнула другая звезда, блеск которой доходил до 8^m. Эта звезда сыграла выдающуюся роль в развитии наших представлений о природе таких объектов. Ибо в наши дни техника астрономических наблюдений неизмеримо выше, чем в 1895 г. ... Новая звезда в NGC 5253 стала объектом яростной атаки целой армии астрономов, которые тщательно исследовали ее излучение в самых различных участках спектра. Опубликованные результаты привели к значительному прогрессу в понимании природы этих объектов.

Всего за период 1885—1920 гг. было обнаружено в разных галактиках около 10 таких вспышек. Вспышки наблюдались в галактиках самой различной формы — эллиптических, спиральных, неправильных. Уже из этого несовершенного ряда наблюдений можно сделать очень важный вывод: такие феноменальной мощности вспышки происходят чрезвычайно редко. Грубая оценка показывает, что в одной галактике одна вспышка случается в среднем один раз за несколько сотен лет.

На основании описанных выше основных наблюдательных данных в 1919 г. известный шведский астроном Лундмарк выдвинул гипотезу, что в галактиках, кроме «обычных новых звезд», частота вспышек которых довольно велика, изредка вспыхивают звезды, светимость которых в максимуме в десятки тысяч раз больше.

В 1934 г. американские астрономы Цвикки и Бааде предложили такие звезды называть «сверхновыми». Хотя этот термин, по мнению автора настоящей книги, довольно бессмыслен, он получил широчайшее распространение и сейчас является общепринятым для обозначения грандиозного явления взрыва звезд.

В нашей Галактике, являющейся гигантской звездной системой, лишь немногим уступающей туманности Андромеды, также время от времени должны происходить вспышки сверхновых звезд. Но, как уже указывалось выше, это очень редкое явление. С другой стороны, если даже с такого огромного расстояния, как расстояние до туманности Андромеды, вспышка сверхновой почти что была видна невооруженным глазом, то что же можно ожидать, если она вспыхнет «рядом», в пределах нашей Галактики? Здесь, правда, надо сделать одно немаловажное замечание. Из-за поглощения межзвездными пылевыми частицами свет от удаленных от нас галактических объектов будет очень сильно ослаблен. У непосвященного читателя может, конечно, возникнуть вопрос: а почему это не происходит в случае, если сверхновые вспыхивают в удаленных «чужих» галактиках? Ответ состоит в том, что наша Галактика подобно другим спиралям представляет собой весьма уплощенную систему, а Солнце находится всего лишь в десятке парсек от ее плоскости симметрии. Хорошей моделью может служить очень тонкий диск, например, патефонная пластинка. Поглощающая свет пылевая среда расположена в очень тонком слое. Поэтому, если сверхновая вспыхнет на «том конце» диска, ее свет будет проходить много тысяч парсек через пылевой слой и может совсем поглотиться. Другие же галактики, как правило, находятся в направлениях, образующих большие углы с плоскостями галактического диска. Поэтому свет будет проходить через поглощающую среду сравнительно короткие отрезки, порядка сотен парсек.

Несмотря на это, вспышка сверхновой должна в нашей Галактике, как правило, сопровождаться сильнейшим оптическим эффектом. Тот же Лундмарк специально исследовал старинные исторические хроники с целью найти в них указания на внезапно вспыхивавшие звезды, которые в некоторых случаях могли быть сверхновыми. Этим увлекательным делом занимались и до Лундмарка (Биа, Гумбольдт и др.). Но только шведский астроном знал, что надо искать — он искал древние вспышки сверхновых звезд. В своих поисках он добился выдающихся результатов.

Работами Лундмарка и его последователей доказано, что в нашей Галактике за последние 1000 лет наблюдались по крайней мере шесть сверхновых: в 1006, 1054, 1181, 1572, 1604 и 1667 годах. Особую роль в истории астрономии сыграла сверхновая 1054 г., на месте которой находится знаменитая Крабовидная туманность — см. §§ 17 и 19. Но, конечно, ясно, что для изучения этого уникального явления древних хроник совершенно недостаточно — необходимо было наладить специальную наблюдательную службу, чтобы «подкараулить» вспышки сверхновых в других звездных системах, где они происходят на наших глазах. Идея таких поисков очень проста: если в каждой конкретной галактике вспышка сверхновой происходит всего лишь раз в несколько сотен лет, то систематически «патрулируя» много сотен галактик, в среднем каждый год можно надеяться (если не прозевать!) наблюдать одну-две сверхновые. Трудности такого поиска, однако, состоит в том, что заранее совершенно не известно, в какой именно галактике произойдет вспышка.

Впервые «службу вспышек сверхновых» осуществил в 1933 г. Цвикки, который для этой цели использовал весьма скромный 10-дюймовый телескоп. Он проводил систематические поиски в 175 площадках неба, в которых находилось большинство сравнительно близких к нам галактик. Таким образом, он внимательно следил за 3000 галактик ярче 15-й величины, из которых 700 были ярче 13-й величины. Результаты этой планомерной работы не замедлили сказаться. Всего за период 1936—1939 гг. он наблюдая в разных галактиках 12 вспышек сверхновых. Учитывая неизбежные несовершенства системы патрулирования, из своих наблюдений Цвикки сделал важный вывод, что в среднем в каждой галактике происходит одна вспышка в 360 лет.

Рис. 15.1: Кривая блеска сверхновой, вспыхнувшей в 1937 г. в NGC 1003.

Работу Цвикки проводил в самой тесной кооперации с другими астрономами. Найденные им сверхновые со всей возможной тщательностью исследовались фотометрически и спектроскопически. Были получены кривые блеска этих сверхновых (рис. 15.1), а также их спектры. После перерыва, вызванного второй мировой войной, исследования были возобновлены в 50-х годах с более совершенными наблюдательными средствами. Количество вновь обнаруженных сверхновых резко увеличилось. Так, например, если за период времени 1885—1956 гг. всего было обнаружено 54 сверхновых, то между 1956 и 1963 гг. их было обнаружено уже 82. К 1983 г. всего было зарегистрировано около 500 сверхновых.

Рис. 15.2: Кривая блеска сверхновой I типа (схема).

Эти исследования показали, что сверхновые отнюдь не представляют собой однородную группу объектов. Прежде всего кривые блеска обнаруживают большое разнообразие. В первом приближении, по своим наблюдательным особенностями, сверхновые делятся на два типа. На рис. 15.2 приведена схематическая кривая блеска сверхновой I типа. После быстрого подъема яркость в течение длительного времени почти постоянна. Затем блеск сверхновой довольно быстро падает, после чего дальнейшее увеличение ее видимой величины идет почти по линейному закону, что соответствует экспоненциальному уменьшению светимости. Обращает на себя внимание большое сходство кривых блеска у разных сверхновых после максимума. Совершенно другой тип кривых блеска показывают сверхновые II типа (рис. 15.3). Они отличаются большим разнообразием. Как правило, их максимумы «уже» (т. е. они занимают меньше времени). На заключительной стадии кривые блеска сверхновых этого типа значительно круче. Иногда наблюдаются вторичные максимумы и т. д. Очень вероятно, что сверхновые этого типа не представляют однородной группы объектов.

Рис. 15.3: Кривые блеска сверхновых II типа.

Зная расстояния до галактик, где произошли вспышки сверхновых, можно найти их абсолютные величины в максимуме блеска. Они близки к -20^m, что соответствует светимости, доходящей до 3 10⁴³ эрг/с — почти в десять миллиардов раз больше светимости Солнца! Зная кривые блеска, можно найти, что всего за время вспышки такая звезда излучает до 10⁵⁰ эрг. Чтобы излучить такое количество энергии, Солнцу надо миллиард лет, а здесь она освобождается за несколько месяцев.

Очень интересной и, несомненно, важной является зависимость типа сверхновой от характеристики галактики, в которой произошла вспышка. Сверхновые II типа вспыхивают только в ветвях спиральных галактик, между тем как в эллиптических и «неправильных» галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Заметим, однако, что в спиральных галактиках (например, в нашей Галактике) вспыхивают как сверхновые II, так и I типов. Тот факт, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, сам по себе весьма многозначителен. Дело в том, что по современным представлениям, основывающимся на теории звездной эволюции и наблюдательных данных (см. § 12), в составе звездного населения таких галактик практически нет звезд, масса которых превышала бы некоторый предел, близкий к массе Солнца. В эллиптических галактиках почти нет межзвездной среды, и поэтому процесс звездообразования давно уже там прекратился[ 35 ]. Следовательно, звездное население таких галактик — это очень старые звезды с малой (не больше солнечной) массой. Когда-то, около 10 миллиардов лет назад, когда в эллиптических галактиках бурно протекал процесс звездообразования, там рождались и массивные звезды. Но сроки их эволюции, как мы видели в § 12, сравнительно невелики, и они давно уже прошли стадию красных гигантов, превратились в белые карлики и другие «мертвые» объекты, о которых речь будет идти в последней части этой книги. Отсюда следует важный вывод, что сверхновые I типа до взрыва — это очень старые звезды, масса которых если и превосходит массу Солнца, то очень ненамного (скажем, на 10—20%). Так как кривые блеска и спектры (см. ниже) всех сверхновых этого типа удивительно сходны, мы можем утверждать, что и в спиральных галактиках (например, в нашей) звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа, суть очень старые объекты со сравнительно небольшой массой.

Что касается звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, то логично сделать вывод, что это молодые объекты. Это следует из того простого факта, что они находятся в спиральных рукавах, где из газово-пылевой среды рождаются звезды. Они наблюдаются в сравнительной близости от места своего рождения просто потому, что за время своей жизни еще не успели оттуда уйти. Принимая во внимание, что беспорядочная скорость звезд (и облаков газа) в области спиральных рукавов близка к 10 км/с, а толщина рукава порядка сотен парсек, можно сделать вывод, что возраст звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, не превышает нескольких десятков миллионов лет. Но, с другой стороны, даже ничего не зная о конкретном механизме вспышки (вернее, взрыва) звезды, можно утверждать, что такая «неприятность» с ней может случиться только после того, как она сойдет с главной последовательности и начнет весьма сложный заключительный этап своей эволюции (см. § 12). Какие же звезды «живут» на главной последовательности не дольше, чем несколько десятков миллионов лет? Очевидно, только достаточно массивные звезды, у которых масса во всяком случае превышает 10 солнечных масс (см. § 12). Итак, из очень простых рассуждений мы пришли к выводу, что звезды, вспыхивающие как сверхновые II типа,— это молодые, очень массивные объекты. Когда они находились на главной последовательности, они представляли собой звезды спектральных классов O и B, т. е. горячие голубые гиганты. Однако тот факт, что в неправильных галактиках типа Магеллановых Облаков вспыхивают только сверхновые I типа, явно не вяжется с нарисованной сейчас картиной. Ведь у этих галактик очень много горячих массивных звезд — почему же там не наблюдаются сверхновые II типа?

Как уже подчеркивалось выше, в случае сверхновых I типа вспыхивают очень старые звезды, масса которых лишь немного превышает массу Солнца. Закономерный конец эволюционного пути таких звезд — это превращение их в белый карлик с одновременным образованием планетарной туманности (см. § 13). Ежегодно в нашей Галактике образуется несколько планетарных туманностей, следовательно, такое же количество звезд с массой чуть побольше солнечной кончает свой жизненный путь, превращаясь в белые карлики. И только приблизительно раз в сотню лет (может быть, правда, немного чаще; см. § 16) происходит вспышка сверхновой I типа, причем вспыхивающая звезда должна иметь ту же массу, что и «предки» планетарных туманностей. Но это означает, что только одна из сотни звезд с одинаковыми (сравнительно небольшими) массами кончает свой путь как сверхновая I типа. Почему? В чем ее «патология», т. е. какие причины определяют совершенно особый финал ее жизненного пути, так драматически не похожий на судьбу подавляющего большинства ее «подруг»? К этому важному вопросу мы вернемся в конце § 18. Там будет сделана попытка связать воедино такие, казалось бы, различные проблемы астрофизики, как образование белых карликов в результате эволюции красных гигантов, «попутное» образование планетарных туманностей и причина взрыва образовавшихся таким образом белых карликов — взрывов, наблюдаемых как явление вспышки сверхновых I типа.

Так же как и кривые блеска, отличаются друг от друга и спектры сверхновых I и II типов. Более «привычный» вид имеют спектры сверхновых II типа. У них на фоне весьма интенсивного непрерывного спектра наблюдаются широкие полосы излучения и поглощения. Из распределения энергии в непрерывном спектре около максимума блеска звезды следует, что температуры излучающих газов очень велики: выше 40 000 К. В этом отношении спектры сверхновых II типа напоминают горячие звезды спектрального класса В. Основные полосы излучения и поглощения уверенно отождествляются с линиями водорода, гелия и некоторых других элементов. Исключительно большая ширина полос объясняется эффектом Доплера, вызванным огромными, в разные стороны направленными скоростями масс газа, который производит излучение и поглощение. Эти скорости доходят до 10 000 км/с. Спектры сверхновых II типа похожи на спектры обычных новых звезд, которые хорошо исследованы и объясняются выбрасыванием во время вспышек значительного количества газа. Разница, однако, состоит в том, что ширина полос излучения и поглощения у сверхновых II типа гораздо больше. Применение надежных астрофизических методов анализа таких спектров позволяет оценить массу выброшенного во время вспышек газа. У сверхновых II типа она превосходит одну солнечную массу, в то время как у обычных новых выбрасывается во время вспышки 10^-4—10^-5 массы Солнца. Само увеличение блеска сверхновой после начала вспышки объясняется непрерывным ростом излучающей поверхности у расширяющейся с огромной скоростью массы газа при непрозрачности последнего. После максимума выброшенная оболочка становится прозрачной и ее дальнейшее расширение влечет за собой уменьшение светимости, так как плотность оболочки будет быстро падать. Выброшенная во время вспышки масса газа навсегда порывает связь со вспыхнувшей звездой и движется в межзвездном пространстве, взаимодействуя с межзвездной средой. Такие огромных размеров оболочки — туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, существуют десятки тысяч лет и представляют собой весьма важные объекты астрономических исследований. Мы о них подробно будем рассказывать в §§ 16, 17, а пока только обратим внимание на большую величину массы, выброшенной во время вспышек сверхновых II тип»; это явно доказывает, что вспыхнувшие звезды были достаточно массивны — результат, который мы получили выше косвенными методами.

Иначе выглядят спектры сверхновых I типа. Они очень похожи друг на друга и, что особенно любопытно, одинаково меняются со временем у разных сверхновых. Можно даже определить по виду такого спектра время, прошедшее после вспышки. Эти спектры имеют вид очень широких, частично перекрывающихся полос излучения. Стечением времени отдельные полосы постепенно исчезают, появляются новые полосы, а относительная их интенсивность меняется. Долгое время астрономы не могли разобраться в спектрах сверхновых I типа, хотя недостатка в гипотезах, конечно, не было. Только лет 25 назад американский астроном Мак Лафлин напал на верный путь. Предыдущие исследователи были «загипнотизированы» широкими полосами излучения в спектрах этих сверхновых, тщетно пытаясь их отождествить. Американский астроном обратил внимание на «провалы» между полосами, истолковав их как полосы поглощения, «выедающие» непрерывный спектр. Он получил несколько новых спектрограмм сверхновых I типа, на которых присутствие полос поглощения настолько ярко выражено, что не вызывает сомнения. Эти полосы поглощения Мак Лафлин отождествил с линиями гелия, кальция и некоторых других элементов, причем излучающиеся газы беспорядочно движутся со скоростью 10 000 км/с. В дальнейшем метод, предложенный Мак Лафлином, был успешно применен для расшифровки спектров сверхновых звезд I типа советскими астрономами Ю. П. Псковским и Э. Р. Мустелем.

Ю. П. Псковский исходил из плодотворной идеи, что спектры сверхновых I типа должны быть сходны со спектрами горячих сверхгигантских звезд. Основная часть излучения сверхновых должна состоять из непрерывного спектра, который по мере расширения оболочки сверхновой должен становиться все более «красным». Наблюдения изменений цвета сверхновых I типа обосновывают эту картину. Характерной особенностью спектров горячих сверхгигантов является так называемый «эффект абсолютной величины». Это значит, что в спектре следует ожидать присутствия прежде всего линий поглощения однажды ионизованных атомов достаточно обильных элементов. В спектрах сверхновых эти линии из-за огромной скорости расширения оболочки, доходящей до 20 000 км/с, должны быть сильно расширены (размыты) и значительно смещены в «фиолетовую» (т. е. коротковолновую) сторону.

Наблюдения последних лет полностью подтвердили эту концепцию. Большой удачей была вспышка яркой сверхновой I типа в близкой карликовой галактике NGC 5253 (см. выше). Было получено значительное количество спектров этой сверхновой на разных стадиях ее эволюции. Решающим подтверждением «абсорбционной» интерпретации спектров сверхновых I типа было обнаружение в их спектрах (в частности, в спектре сверхновой в NGC 5253) линий поглощения ионизованного кальция в близкой инфракрасной области, которые имели точно такое же «фиолетовое» смещение, как и сильные линии поглощения в близкой ультрафиолетовой части спектра, отождествляемые с хорошо известными резонансными линиями H и K ионизованного кальция.

Кроме этих линий, являющихся самыми интенсивными, в спектрах сверхновых I типа надежно отождествлена известная резонансная линия натрия и некоторые другие линии. Большое количество спектральных линий в спектре сверхновых I типа пока не удается отождествить, так как эти линии сильно размыты и перекрывают друг друга.

Важным отличием спектров сверхновых I типа от спектров сверхновых II типа является отсутствие у первых сколько-нибудь интенсивных линий водорода. Похоже на то, что обилие водорода по отношению к другим элементам в оболочках сверхновых I типа значительно ниже «нормального», характерного для сверхновых II типа. Это лишний раз говорит в пользу представления о том, что звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа,— старые, сильно проэволюционировавшие объекты со сравнительно малой массой.

Новая интерпретация спектров сверхновых открывает возможность решить важную космологическую проблему — надежно определить расстояния до галактик и уточнить характер расширения Вселенной. Из спектральных наблюдений определяется скорость расширения оболочки сверхновой; отсюда непосредственно можно получить линейный радиус фотосферы R_ф. Те же наблюдения дают температуру фотосферы T. Отсюда по формуле L = 4R_ф²T⁴ определяется светимость сверхновой, а следовательно, ее абсолютная величина. Сравнение с видимой величиной (см. формулу (1.3) § 1) сразу же дает расстояние до сверхновой, а следовательно,— до соответствующей галактики. Таким образом, было найдено, что так называемая «постоянная Хаббла» (основная величина, характеризующая скорость расширения Вселенной) H = 55 км/с Мпс; отсюда следует, что возраст Вселенной около 15 миллиардов лет. По-видимому, это одно из наиболее надежных определений величины H.

В результате взрыва звезды, который наблюдается как явление сверхновой, вокруг нее образуется туманность, расширяющаяся с огромной скоростью: как правило, порядка 10 000 км/с. Большая скорость расширения есть главный признак, по которому остатки вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например, планетарных. Последние расширяются с довольно умеренной скоростью, порядка немногих десятков км/с, т. е. примерно с той же скоростью, которую следует ожидать при расширении горячего газа в пустоте (см. § 13). Иное дело остатки сверхновых: здесь все говорит о взрыве огромной мощности, разметавшем наружные слои звезды в разные стороны и сообщившем отдельным кускам выброшенной оболочки огромные скорости. Потом, спустя много сотен и тысяч лет, выброшенные при взрыве облака газа начнут тормозиться окружающей средой, с которой они взаимодействуют, их скорости начнут падать и снизятся до сотен и даже десятков километров в секунду. Еще задолго до этого не останется никаких видимых (т. е. наблюдаемых в оптическом диапазоне) следов взорвавшейся звезды. Но еще долгие тысячелетия и десятки тысяч лет будет существовать весьма своеобразная туманность, образовавшаяся при гигантской космической катастрофе — взрыве звезды. Пройдет, однако, сотня тысяч лет, и следы такой катастрофы в межзвездной среде почти сотрутся: остатки сверхновой полностью растворятся в этой среде. И только во многом еще загадочные пульсары, в которые превращается существенная часть взорвавшихся звезд (см. следующую часть), еще многие миллионы лет будут излучать радиоволны.

Мы можем рассматривать вспышку сверхновой звезды как сильнейшее локальное возмущение окружающей ее межзвездной среды. Для этого совершенно необязательно знать, каковы были причины взрыва звезды и каковы конкретные особенности взрыва. Надо только знать полное количество энергии, выделившееся во время взрыва в форме кинетической энергии выброшенной газовой оболочки. Кроме того, необходимо знать плотность окружающей межзвездной среды. Аналогичную задачу для сильных взрывов в земной атмосфере (ныне, к счастью, запрещенных большинством стран) решил академик Л. И. Седов еще в 1945 г. Автор этой книги применил в 1960 г. решение Седова к задаче вспышки сверхновой звезды. Будем считать окружающую межзвездную среду однородной с постоянной плотностью газа n₁ атомов в 1 см³. Теория Седова предполагает, что взрыв является адиабатическим, т. е. энергия не покидает область взрыва через посредство излучения. Вспышку сверхновой можно рассматривать как мгновенное выделение тепловой энергии E в точке, которую мы примем за начало координат в момент времени t = 0. В некоторый момент времени t возмущением от взрыва будет охвачена межзвездная среда, находящаяся внутри сферы радиуса R₂. Внутри этой сферы температура межзвездного газа, по которому распространяется вызванная взрывом ударная волна, будет очень велика. За пределами среды она скачком падает до нормального (т. е. «невозмущенного») значения. На самой границе сферы, т. е. при R = R₂, плотность межзвездного газа в четыре раза превышает невозмущенную плотность. Само применение теории Седова к нашей проблеме предполагает, что межзвездную среду можно считать сплошным сжимаемым континуумом. Такое предположение вполне законно, так как длина свободного пробега атомов и ионов в межзвездной среде, несмотря на огромную разреженность, все-таки гораздо меньше, чем R₂. Согласно теории Седова будут выполняться следующие основные соотношения:

(16.1)

где E₀ = 7,5 10⁵⁰ эрг, k — постоянная Больцмана, а плотность межзвездной среды ₁ = m_Hn₁. Второе из этих уравнений имеет простой смысл: вся выделившаяся при взрыве энергия E распределяется между частицами газа, находящегося внутри сферы радиуса R₂, нагревая его до температуры T₂. Более детальные расчеты позволяют получить распределение плотности и температуры внутри сферы, охваченной возмущением от взорвавшейся звезды. Это распределение приведено на рис. 16.1. Из этого рисунка видно, что в центральной области сферы плотность газа очень мала. Газ образует как бы слой с толщиною около ¹/₁₀R₂, Температура этого газа растет по направлению к центру сферы.

Рис. 16.1: Схема распределения температуры (1) и плотности (2) в ударной волне.

Из уравнений (16.1) можно получить скорость увеличения R₂, т. е. скорость расширения фронта ударной волны:

(16.2)

Отсюда следует простое отношение:

(16.3)

Практическое значение этой формулы очень велико, так как она позволяет по измеренной скорости расширения остатков вспышки сверхновой (а это можно сделать, см. ниже), зная R₂, найти возраст остатков, т. е. время, прошедшее после взрыва.

Необходимо подчеркнуть, что теория Седова неприменима к сравнительно ранней стадии возмущения межзвездной среды взрывом. На более поздних стадиях, которые вполне удовлетворительно описываются этой теорией, всякие следы облаков газа, выброшенных с огромной скоростью во время взрыва, уже исчезли. Они «растворились» в окружающем межзвездном газе, передав им свою энергию. Масса газа заключенного внутри сферы радиуса R₂, в десятки и сотни раз превосходит массу газа, выброшенную во время взрыва. Это в основном масса межзвездной среды, возмущенной взрывом. В то же время излученная горячим газом за фронтом ударной волны энергия все еще значительно меньше E, первоначальной энергии взрыва. На еще более поздней фазе расширения туманности взрыв уже нельзя рассматривать как адиабатический и теорию Седова опять нельзя применять. За фронтом ударной волны газ успевает сравнительно быстро остыть. При таких условиях сохраняется уже не энергия движущегося газа (как в случае адиабатического взрыва), а его импульс: ⁴/₃R₂³₁3 = const. Зависимость радиуса от времени будет очень слабая: R₂ t^1/4. Большинство радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых — находятся либо на адиабатической стадии расширения, либо на «переходной», когда начинают играть роль процессы излучения. Поэтому в первом приближении теория Седова к остаткам вспышек сверхновых применима.

Рис. 16.2: Фотография тонковолокнистых туманностей — остатков вспышки сверхновой в созвездии Лебедя.

Как мы уже подчеркивали выше, задача возмущения межзвездной среды взрывом сверхновой рассматривалась нами идеализированно. Например, не учитывалось магнитное поле, находящееся в межзвездной среде, а также давление релятивистских частиц, находящихся внутри расширяющейся туманности (см. ниже). Можно, однако, показать, что на адиабатической стадии расширения значение этих факторов не является определяющим. Гораздо большее значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от нашей идеализированной схемы, межзвездная среда не является однородной. Это приводит к тому, что находящиеся в ней уплотнения будут «обжиматься» распространяющейся от взрыва ударной волной. От этого будут образовываться плотные газовые сгустки, зачастую вытянутой, «нитевидной» формы. Из-за высокой плотности газа в таких «нитях» они будут быстро охлаждаться до температуры в несколько десятков тысяч градусов и при этом станут наблюдаемы методами оптической астрономии. Таким образом, область взрыва будет окаймлена системой тонковолокнистых туманностей. Эти туманности распределены вокруг очага взрыва весьма неравномерно, отражая первоначальное распределение неоднородностей в межзвездной среде, окружающей взорвавшуюся звезду. Обнаруженные несколько десятилетий назад оптическими астрономами системы тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя были первым свидетельством о существовании огромных возмущений межзвездной среды, обусловленных взрывами звезд. Такую интерпретацию тонковолокнистых туманностей впервые предложил известный голландский астроном Оорт, обратившими внимание на отсутствие горячих звезд, способных возбудить к свечению эти туманности «нормальным» образом, т. е. путем ультрафиолетового излучения. На рис. 16.2 и 16.3 приведено несколько наиболее исследованных тонковолокнистых туманностей. Система таких туманностей в созвездии Лебедя (рис. 16.2) имеет огромные угловые размеры — около 3°. Так как расстояние до этих туманностей известно (около 800 пс), линейный диаметр 2R₂ системы составляет около 40 пс — величина весьма большая. Ведь в сфере радиусом в 20 пс находится несколько тысяч звезд! На этом примере мы видим, каким большим является возмущение, которое связано со вспышкой сверхновой. Спектр волокон состоит из ряда линий излучения водорода, ионизованных кислорода, азота, серы и других элементов. Анализ смещений длин волн этих линий, обусловленных эффектом Доплера, позволил сделать вывод, что вся система волокон, изображенная на рис. 16.2, расширяется со скоростью до 400 км/с. Отсюда, отождествляя эту скорость со скоростью фронта ударной волны, по формуле (16.3) можно найти возраст этой системы волокон, который оказывается около 20 000 лет. У другой туманности, изображенной на рис. 16.3, возраст получается примерно такой же.

Рис. 16.3: Туманность IС 443 (созвездие Близнецов) — остаток вспышки сверхновой. Вверху — яркая звезда Близнецов.

Температура газа на периферии системы тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя согласно формуле (16.1) должна быть около 3 миллионов кельвинов. Следует представить себе огромную радиусом в 20 пс оболочку, где межзвездный газ нагрет до такой высокой температуры, а в ней заключены сравнительно холодные, плотные нитевидные волокна, изображенные на рис. 16.2. Основная масса газа в оболочке радиусом R₂ = 20 пс имеет высокую температуру, а холодные нити — это только небольшие «вкрапления». Аналогичную структуру имеют и другие остатки сверхновых. Таким образом, вплоть до сравнительно недавнего времени основная часть газа, находящегося в остатках вспышек сверхновых, была ненаблюдаема, так как оптическое излучение весьма разреженного, очень горячего газа ничтожно мало.

Развитие рентгеновской астрономии коренным образом изменило эту ситуацию. В 1970 г. был обнаружен источник мягкого рентгеновского излучения на месте системы волокнистых туманностей в созвездии Лебедя. Этот источник имеет угловые размеры, близкие к угловым размерам системы туманностей. Из вида рентгеновского спектра следует, что излучающий газ имеет температуру несколько миллионов кельвинов. Любопытно, что плазма с такой температурой и химическим составом, подобным химическому составу межзвездной среды, должна излучать интенсивные спектральные линии излучения, главным образом сильно ионизованных атомов кислорода, у которых осталось только 1—2 внутренних электрона. Эти линии находятся в мягкой рентгеновской области спектра и имеют длину около 20 Å. Они действительно обнаружены в рентгеновском спектре волокнистых туманностей в созвездии Лебедя (см. рис. 16.2). В близком будущем рентгеновская спектроскопия таких объектов позволит получить весьма ценную информацию о физических условиях в остатках вспышек сверхновых.

Хотя разрешающая способность современных детекторов космического рентгеновского излучения еще низка (ем. введение), очень большие угловые размеры системы волокнистых туманностей в Лебеде позволяют получить хотя и грубое, но все же вполне реальное рентгеновское изображение этого источника. Оно приведено на рис. 16.4. Из этого рисунка прежде всего отчетливо видна оболочечная структура излучающей области, что находится в полном согласии с описанной выше теорией. Излучающее вещество находится на периферии огромной, квазисферической области, хотя распределение его весьма нерегулярно.

Это объясняется, как мы уже говорили выше, неоднородным распределением плотности в окружающей взорвавшуюся звезду межзвездной среде. Можно заметить также грубое соответствие между распределением рентгеновского и оптического излучений.

Мы уже упоминали о рентгеновском телескопе, установленном на обсерватории «Эйнштейн». Этот прибор работал в мягком рентгеновском диапазоне, регистрируя кванты с энергией в интервале 0,1—4,5 кэВ. Он обладал неслыханной до этих пор чувствительностью — до 3 10^-14 эрг/см² с (при времени накопления квантов от источника около суток).

С помощью этого рентгеновского телескопа был выполнен ряд выдающихся по своему значению наблюдений. В частности, проводилось систематическое исследование остатков вспышек сверхновых. Всего было получено свыше 100 рентгеновских изображений таких объектов. Другими словами, были исследованы все известные остатки сверхновых в нашей Галактике и в Магеллановых Облаках. Это дало возможность построить эволюционную последовательность таких объектов, оказавшуюся в полном согласии с развитой нами теорией, основывающейся на формуле Седова (16.1).

Рис. 16.4: Рентгеновские изображения тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя в двух спектральных участках.

До сих пор речь шла об оптическом и рентгеновском излучении туманностей, образовавшихся после вспышек сверхновых. Оба эти вида излучения являются простым следствием высокой температуры в плазме, образующейся за фронтом распространяющейся от очага взрыва ударной волны в межзвездной среде. Однако уже на заре радиоастрономии было обнаружено, что остатки вспышек сверхновых являются мощными источниками радиоизлучения совершенно особой природы. Обнаружение радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых, бесспорно, является важнейшим этапом в истории изучения этих объектов. Как мы увидим дальше, исследование радиоизлучения является весьма эффективным методом анализа физических условий в расширяющихся оболочках — остатках взорвавшихся звезд. А это в свою очередь приближает нас к пониманию самого процесса взрыва звезд. Особый интерес представляет еще и то обстоятельство, что открывается возможность чисто радиоастрономическим методом определить расстояние до источников, что имеет, конечно, очень важное значение для понимания их природы. Перейдем теперь к изложению основных результатов наблюдений радиоизлучения остатков вспышек сверхновых.

В 1948 г. английские радиоастрономы Райл и Смит обнаружили на северном небе в созвездии Кассиопеи необыкновенно яркий источник радиоизлучения, названный ими «Кассиопея А». В то время радиоастрономия переживала начальный, «героический» период своего развития. Выдающиеся открытия, совершаемые бывшими офицерами радиолокационной службы, следовали одно за другим. За два года до открытия Кассиопеи А другая группа английских радиоастрономов открыла первый «дискретный» источник радиоизлучения на небе — знаменитый «Лебедь А», который, как выяснилось через 5 лет, представляет собой удаленную галактику. Это была первая радиогалактика! На метровых волнах поток радиоизлучения от Кассиопеи А почти в два раза превышает поток от Лебедя А и довольно близок к потоку радиоизлучения от «спокойного» Солнца (т. е. в периоды, когда нет пятен, вспышек и других проявлений активности). Тот факт, что весьма удаленный от нас космический объект посылает поток почти такой же, как и «рядом» находящееся Солнце, сам по себе поразителен. Он говорит о необычности космических явлений в радиодиапазоне и о коренном отличии этих явлений от оптических. Сейчас, спустя 35 лет после открытия Кассиопеи А, радиоастрономия шагнула далеко вперед. На пределе своих возможностей она может зарегистрировать потоки радиоизлучения, в миллионы раз меньшие, чем от Кассиопеи А. Подавляющее большинство слабых источников представляют собой метагалактические объекты. Только малая часть сравнительно ярких известных источников отождествляется с остатками вспышек сверхновых. Вернемся, однако, к Кассиопее А.

Сразу же после открытия этого ярчайшего радиоисточника невольно поразило то обстоятельство, что на его месте решительно ничего примечательного в оптических лучах не наблюдается. Создавалось впечатление, что мощнейший поток радиоизлучения приходит к нам, что называется, «из пустого места». Однако через три года, в 1951 г., Смит существенно уточнил координаты этого радиоисточника, что позволило американским астрономам Бааде и Минковскому обнаружить на этом месте очень слабую, совершенно необычную туманность, несомненно, связанную с источником радиоизлучения. Дальнейшие исследования показали, что этот источник имеет хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры — около 5 минут дуги. Клочья и обрывки слабой оптической туманности как раз заполняют всю область, занимаемую источником радиоизлучения.

Весьма характерен радиоспектр Кассиопеи А. Он хорошо представляется степенным законом (см. рис. 16.8 на стр. 459)

(16.4)

где  — частота, а 0,8 во всем диапазоне частот от метровых до сантиметровых волн. Величина называется «спектральным индексом», a F — «спектральная плотность потока», определяемая как количество энергии, проходящее через единицу поверхности за единицу времени в единичном интервале частот. Заметим, что степенной спектр является типичным для большинства источников космического радиоизлучения. Различные источники отличаются значениями спектрального индекса , который, впрочем, как правило, меняется в не слишком широких пределах. Такой характер спектра тесно связан с механизмом радиоизлучения, о чем речь будет идти ниже.

После 1948 г. в нашей Галактике было открыто несколько источников радиоизлучения, связанных с остатками вспышек сверхновых. В следующем, 1949 г. австралийскими радиоастрономами было обнаружено радиоизлучение от Крабовидной туманности — остатка вспышки сверхновой 1054 г. Через 3 года было обнаружено радиоизлучение от остатков вспышек сверхновых 1572 г. (Тихо) и 1604 г. (Кеплер). После этого был обнаружен протяженный (угловые размеры 3°) радиоисточник на месте системы волокнистых туманностей в созвездии Лебедя. Почти одновременно был обнаружен также протяженный источник радиоизлучения в созвездии Близнецов, на месте волокнистой туманности IС 443. Это открытие и дало основание считать эту туманность остатком вспышки сверхновой. В последующие годы было открыто довольно много таких объектов. Все они находятся около галактического экватора, что указывает на их весьма высокую концентрацию к галактической плоскости.

Как правило, остатки вспышек сверхновых представляют собой в рентгеновских и радиолучах неправильные, часто «неполные» оболочки с заниженной интенсивностью в центральной части (см. рис. 16.5). Около 10 лет тому назад у остатков вспышек сверхновых был выделен новый класс объектов, получивших название «плерионы». Это такие остатки, у которых яркость концентрируется к центральной части. Классическим объектом этого типа является знаменитая Крабовидная туманность (см. рис. 17.2), которой будет посвящен следующий параграф. Всего в настоящее время в Галактике известно около десятка плерионов. Наряду с Крабовидной туманностью, большой интерес представляет объект 3C 58, отождествляемый со вспышкой сверхновой, наблюдавшейся в качестве «звезды-гостьи» в 1181 г. Недавно на обсерватории «Эйнштейн» в центре этого объекта как будто бы наблюдался точечный источник.

Рис. 16.5: Рентгеновское изображение источника Кассиопея А. Получено на обсерватории «Эйнштейн».

Встречаются также «гибридные» комбинации плерионов и оболочечных источников. Хорошим примером такой морфологии является объект Паруса X. Похоже на то, что у плерионов радиоспектр значительно более «плоский», чем у «оболочечных» источников. Значение плерионов для радиоастрономии определяется их несомненной связью с пульсарами (см. § 20).

Рис. 16.6: Фотография туманности Кассиопея А в красных лучах.

Среди довольно протяженных, с низкой поверхностной яркостью радиоисточников,— остатков вспышек сверхновых — резко выделяется Кассиопея А. Этот компактный объект имеет огромную поверхностную яркость (в радиолучах, разумеется), а связанная с ним оптическая туманность резко отличается от тонковолокнистых туманностей, наблюдаемых в «старых» остатках сверхновых звезд. Эта туманность имеет настолько необычный вид, что первое время открывшие ее исследователи упорно не желали считать ее остатком вспышки сверхновой. Действительно, вид этой туманности и ее спектр совершенно не похожи ни на Крабовидную туманность и ее спектр, ни на изображенные на рис. 16.2 и 16.3 системы тонковолокнистых туманностей в Лебеде и Близнецах. На рис. 16.6 приведена фотография туманности Кассиопея А, полученная в красных лучах. Видно довольно вытянутое волокно (протяженность его около 3) на расстоянии 2 от центра туманности и большое количество «звездообразных» пятнышек, покрывающих всю площадь, занятую радиоисточником. Однако эти пятнышки отнюдь не звезды, а газообразные довольно плотные конденсации. Кроме пятнышек имеются также маленькие (до 20) вытянутые волокна. Некоторые из них довольно ярки, другие едва различимы. Все эти «обрывки» туманности располагаются в пределах окружности с диаметром немного больше 6. Особенно интересны спектры отдельных конденсаций волокон. Линии излучения волокон «диффузного» вида показывают огромные лучевые скорости, доходящие почти до 8000 км/с Наоборот, звездообразные пятна сколько-нибудь значительных лучевых скоростей не обнаруживают. Вся наблюдаемая картина оптической туманности Кассиопея А может быть объяснена следующим образом. Диффузные туманности представляют собой выброшенные во время взрыва звезды облака газа, движущиеся с огромной скоростью через окружающую их межзвездную среду. Важно подчеркнуть, что химический состав быстро движущихся волокон резко отличается от химического состава межзвездной среды. Такие элементы, как кислород, сера и аргон в этих волокнах в десятки раз более обильны (по отношению к водороду), чем в межзвездной среде. Это обстоятельство означает, что выброшенный во время взрыва материал до этого претерпел сложную химическую трансформацию, обусловленную ядерными реакциями. Наблюдения последних 20 лет показали, что эти волокна весьма нестабильны: они появляются как бы в «пустом» пространстве, существуют десяток лет и исчезают. Большие волокна иногда распадаются на малые, причем относительные скорости отдельных частей крупных волокон весьма велики. Вообще, многое в природе физических процессов, происходящих в волокнах Кассиопеи А, пока остается еще не ясным.

Из наблюдаемой скорости расширения систем волокон Кассиопеи А можно получить возраст этого объекта. Оказывается, что взрыв звезды, явившийся причиной образования Кассиопеи А, произошел около 1667 г. (примерно между 1659 и 1675 г.). Представляется удивительным, почему европейские астрономы, которые так успешно наблюдали почти за столетие до этого Новые Тихо и Кеплера, решительно ничего не заметили в созвездии Кассиопеи. Почему же это так получилось? Почему «прозевали» вспышку этой сверхновой в эпоху, когда в Европе уже были обсерватории? Конечно, видимая яркость звезды зависит не только от мощности ее излучения, но и от расстояния до нее. Каково же расстояние до Кассиопеи А?

Первая надежная оценка расстояния до этого источника была получена радиоастрономическим методом. Метод основывается на изучении линии поглощения в радиоспектре источника на волне 21 см. Эта линия образуется в результате поглощения радиоизлучения межзвездными атомами водорода. Так как последние концентрируются преимущественно в спиральных рукавах Галактики, которые имеют друг относительно друга разные скорости, то это отразится на «профиле» линии, которая разобьется на несколько компонент, соответствующих водородному поглощению в различных рукавах. Так как в направлении на Кассиопею А существуют три спиральных рукава, а профиль линии поглощения состоит из двух резко выраженных провалов интенсивности, то сразу же можно сделать вывод, что источник радиоизлучения расположен где-то между вторым и третьим рукавом спиральной структуры (рис. 16.7), откуда следует, что расстояние до него около трех тысяч парсек (т. е. около десяти тысяч световых лет). Такое же расстояние получается из сравнения наблюдаемой скорости «расползания» волокон туманности по небесной сфере (они, естественно, определяются в угловых единицах, например, секундах дуги в год) со скоростью волокон по лучу зрения, определяемой из измеренного доплеровского смещения спектральных линий.

Рис. 16.7: Схема, поясняющая радиоастрономический метод определения расстояния до туманности Кассиопея А.

Итак, расстояние до Кассиопеи А около 3000 пс. Если бы не было межзвездного поглощения света, видимая величина вспыхнувшей сверхновой (абсолютная величина которой, как можно полагать, была около -20^m; см. § 15) была бы -7^m, т. е. она должна была казаться, пожалуй, даже ярче, чем сверхновая 1054 г., так поразившая китайцев, японцев и, возможно аборигенов Северной Америки. Чтобы такое удивительное явление, случившееся в области неба, которая никогда не опускается под горизонт, было бы не замечено, следует принять, что поглощение света должно быть как минимум 7—8 величин (т. е. больше, чем в 1000 раз), и еще дополнительно предположить, что в то время над всей Европой стояла несколько недель подряд ненастная погода, которая как раз случилась тогда, когда сверхновая была в максимуме своего блеска... Конечно, в принципе это может быть. Но поглощение света в направлении Кассиопеи А хотя и велико, но не настолько: около 4,3 звездной величины. О возможной причине ненаблюдаемости этой сверхновой см. § 18.

Выше уже упоминалось, что, кроме быстро движущихся волокон, в Кассиопее А наблюдаются почти стационарные конденсации. Скорее всего, эти конденсации представляют собой сжатый ударной волной межзвездный газ. Похоже, однако, на то, что химический состав этих конденсаций не совсем обычен: азот там аномально обилен по отношению к кислороду. Если это так, то остается только считать, что ударная волна от взрыва распространялась уже не по межзвездной среде, а по оболочке, «вытекшей» из звезды, которая взорвалась как сверхновая. Таким образом, все особенности весьма своеобразного остатка сверхновой Кассиопеи А объясняются молодостью этого объекта.

В 1966 г. было обнаружено рентгеновское излучение от Кассиопеи А. В отличие от рентгеновского излучения от других, гораздо более «старых» остатков сверхновых, рентгеновское излучение от Кассиопеи А значительно жестче. Как мощность, так и спектр рентгеновского излучения Кассиопеи А естественно объясняется теорией, развитой выше. Заметим в этой связи, что в окрестностях Кассиопеи А плотность межзвездного газа повышена (N_e 10—20 см^-3), что обеспечивает необходимую мощность рентгеновского излучения, которая пропорциональна N_e²R³, где R — радиус туманности. Большая жесткость теплового рентгеновского излучения от Кассиопеи А объясняется огромной температурой ( 3 10⁷ К) плазмы за фронтом волны, что в свою очередь объясняется большой скоростью расширения этой туманности, т. е. в конечном результате — ее молодостью.

Перейдём теперь к основному вопросу о природе радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых. В настоящее время обнаружено радиоизлучение практически от всех ионизованных газовых туманностей, как «диффузных», так и планетарных. Однако это излучение, если можно так выразиться, носит тривиальный характер. Оно является чисто тепловым, и его интенсивность и спектр определяются известным законом Кирхгофа:

(16.5)

где I — наблюдаемая интенсивность, B(T) = 2kT/² — интенсивность излучения абсолютно черного тела,  — коэффициент поглощения на данной частоте, l — протяженность источника в направлении луча зрения. Величина l носит название «оптической толщи». При достаточно большой оптической толще

(16.6)

т. е. вне зависимости от физических свойств источника она будет иметь некоторое совершенно определенное значение, зависящее только от частоты и температуры излучающего ионизованного газа. Если 1, то формула (16.5) примет вид

(16.7)

так как N_e²T^-1/2. Характерно, что в этом случае интенсивность излучения не зависит от частоты. Сам элементарный акт излучения сводится к «столкновениям» между электронами и ионами, движущимися с тепловыми скоростями. Тепловое радиоизлучение от областей Н II межзвездной среды, о котором речь шла в § 2, объясняется именно таким способом.

Уже один взгляд на спектр туманностей — остатков вспышек сверхновых, например, Кассиопеи А, говорит о том, что их излучение ничего общего с тепловым не имеет. Последнее на ограниченном интервале изменения можно также представить степенным законом F ^-, где меняется в пределах от 0 до -2, между тем как у остатков сверхновых спектральный индекс положителен ( 0,5 1,0) на большом интервале изменения частот (рис. 16.8). Далее, сама величина интенсивности радиоизлучения, особенно на низких частотах, достигает огромного значения. По формуле (16.6) мы всегда можем любой интенсивности привести в соответствие некоторую температуру. Последняя носит название «яркостной температуры» (см. § 4). Оказывается, что на метровых волнах интенсивности Кассиопеи А соответствует яркостная температура в сотни миллионов кельвинов. Между тем, как это следует из формулы (16.6), в случае теплового излучения яркостная температура просто равна температуре газа, которая, как правило, порядка десяти тысяч кельвинов. Нельзя также считать наблюдаемое радиоизлучение тепловым излучением весьма горячего газа за фронтом ударной волны, распространяющейся в остатках сверхновых (см. § 15). Вычисленная на основе наблюдаемого рентгеновского излучения (которое является тепловым) интенсивность радиоизлучения, оказывается, имеет ничтожно малую интенсивность. Кроме того, не следует забывать о полном несоответствии наблюдаемых радиоспектров остатков сверхновых спектрам источников теплового радиоизлучения.

Рис. 16.8: Радиоспектр туманности Кассиопея А.

Правильная идея, объясняющая радиоизлучение остатков сверхновых (так же как и большинства других источников космического радиоизлучения), была предложена в 1950 г. шведскими физиками Альвеном и Херлофсоном и, независимо, немецким астрофизиком Кипенхойером. В последующие годы эта идея во всех деталях была разработана главным образом в СССР и доведена до уровня весьма совершенной теории. Ее применение к конкретным астрономическим объектам, в частности, к остаткам сверхновых, оказалось очень плодотворным. На основе новой теории удалось объяснить большое количество астрономических наблюдаемых фактов и предсказать ряд новых, которые полностью подтверждались специально поставленными наблюдениями. Что же это за теория?

Из физики уже давно известно, что если электрон движется во внешнем магнитном поле H, то он излучает характерную частоту _H = eH/2m_ec, где e — заряд электрона, m_e — его масса. Это та частота, с которой электрон вращается вокруг перпендикулярных к направлению его скорости силовых линий магнитного поля. Если энергия электрона E очень велика и превосходит его энергию покоя m_ec² (такой электрон называется «релятивистским»), то характер излучения претерпевает качественные изменения. Прежде всего такой электрон будет излучать не одну определенную частоту, а непрерывный спектр, т. е. огромное количество тесно примыкающих друг к другу частот, причем максимальная интенсивность его излучения будет приходиться на частоту

(16.8)

Со стороны низких частот, т. е. для _m, интенсивность будет медленно расти с частотой как ^1/3, а для _m круто обрываться. Другой важной особенностью излучения релятивистских электронов является его направленность. Почти все излучение релятивистского электрона будет сосредоточено внутри конуса, ось которого совпадает с направлением мгновенной скорости его движения, а угол раствора = m_ec²/E. Излучение такого типа давно известно физикам, работающим на ускорителях. Оно получило удачное название «синхротронного».

Для того чтобы «почувствовать» порядок входящих в формулы синхротронного излучения величин, напомним, что энергия покоя электрона m_ec² = 5 10⁵ эВ, _H = eH/2m_ec = 2,8 10⁶H. Пусть в магнитном поле движется электрон с энергией E = 10⁹ эВ, что соответствует энергии мягких космических лучей. Тогда он будет излучать непрерывный спектр, максимальная интенсивность которого будет приходиться на частоту _m = 1,4 10⁶²H = 10¹³H. Если напряженность магнитного поля порядка напряженности межзвездных полей, т. е. H 10^-5, то _m 10⁸ Гц, чему соответствует длина волны = 3 м. Это характерный диапазон радиоизлучения Галактики. Если бы электрон был нерелятивистским, он излучал бы только одну частоту _H 30 Гц, чему соответствует длина волны около 10 000 км. Такое излучение с помощью наземных радиотелескопов наблюдать нельзя — вспомним, что ионосфера пропускает только радиоволны более короткие, чем 30 м. Да и космические радиотелескопы, которые, как можно полагать, в недалеком будущем будут установлены на специальных спутниках, такое «сверхдлинноволновое» радиоизлучение от нерелятивистских электронов вряд ли смогут зарегистрировать. Итак, самой «полезной» особенностью релятивистских электронов является их способность излучать сравнительно высокие, доступные наблюдениям частоты в очень слабых магнитных полях.

Мы рассматривали синхротронное излучение только одного релятивистского электрона с данной энергией. В действительности, как показывают результаты исследований первичных космических лучей, состоящих также из релятивистских частиц, последние распределены по энергиям по некоторому степенному закону. Этот закон имеет вид

(16.9)

где N(E > E₀) означает число частиц в единице объема, энергия которых больше E₀. Величина характеризует энергетический спектр релятивистских частиц. В предположении, что скорости релятивистских электронов ориентированы по отношению к магнитному полю случайным образом, теоретическим путем можно получить формулу, дающую значение интенсивности и спектр синхротронного излучения от множества релятивистских частиц, энергетический спектр которых дается выражением (16.9). Эта важная формула имеет вид

(16.10)

где u() — числовой множитель порядка единицы, l, как и раньше, означает протяженность области, где движутся релятивистские электроны, по лучу зрения;  — длина волны излучения. Если подставить вместо последней частоту, воспользовавшись соотношением = c/, то мы сразу же увидим, что формула (16.10) дает степенной спектр синхротронного излучения в полном согласии с наблюдениями. Спектральный индекс (см. (16.4)) оказывается равным

(16.11)

Формула (16.11), впервые полученная советским радиоастрономом А. А. Корчаком, связывает показатель степенного энергетического спектра релятивистских электронов со спектральным индексом их синхротронного излучения. Так, например, в случае Кассиопеи А = 0,8, следовательно, = 2,6 — величина, типичная для космических лучей. Можно сказать, что степенной спектр радиоизлучения остатков вспышек сверхновых отражает степенной энергетический спектр релятивистских частиц, ответственных за наблюдаемое радиоизлучение.

Таким образом, мы подошли к важнейшему выводу: в расширяющихся туманностях — остатках вспышек сверхновых звезд — содержится огромное количество релятивистских частиц, т. е., другими словами, космических лучей! Впервые открылась возможность наблюдать первичные космические лучи (точнее, их электронную компоненту) не у поверхности Земли, а в глубинах Галактики и даже Вселенной, ибо радиоизлучение галактик и открытых в 1963 г. квазаров имеет синхротронную природу. Установление этой возможности, открывшей новую эру в изучении космических лучей, пожалуй является одним из важнейших достижений радиоастрономии.

Применяя теорию синхротронного излучения к реальным источникам (например, остаткам вспышек сверхновых), можно найти полное количество находящихся там релятивистских электронов и их энергию, а также напряженность магнитного поля. При этом поступают следующим образом. Прежде всего надо иметь в виду, что в источниках радиоизлучения наряду с электронами должны быть и другие релятивистские частицы, главным образом протоны[ 36 ]. Тяжелые релятивистские частицы, однако, практически не излучают, так как их масса слишком велика. Поэтому в радиоисточниках создалась своеобразная ситуация: из всех имеющихся там релятивистских частиц благодаря их синхротронному излучению можно было наблюдать только электроны. Однако в последние годы, благодаря успехам внеатмосферной гамма-астрономии, выявилась возможность наблюдать и протонную компоненту космических лучей. Прогресс в этой важной области связан с успешной работой специализированных спутников «SAS-2» и «Cos-B», на которых детально исследовалось обнаруженное незадолго до этого на ракетах жесткое космическое гамма-излучение с энергией квантов E > 15 МэВ. Оказалось, что это излучение распределено по небу в виде полосы шириной около 3°, тянущейся вдоль галактического экватора на расстояние ±60°от галактического центра, находящегося в Стрельце. Из спектра этого жесткого излученияИзлучение!жесткое@«жесткое» следует, что существенная его часть обусловлена распадом «пи-ноль» (⁰) мезонов на два гамма-кванта, причем сами ⁰-мезоны образуются в результате столкновения релятивистских протонов, входящих в состав первичных космических лучей, с ядрами атомов межзвездного газа. Это как раз и означает, что гамма-астрономия, наряду с радиоастрономией, является весьма эффективным методом изучения первичных космических лучей в местах их локализации (т. е. в Галактике).

Анализ распределения интенсивности космического гамма-излучения по небу позволяет сделать вывод, что первичные космические лучи концентрируются к рукавам спиральной структуры Галактики, где их плотность почти в три раза больше, чем в окрестностях Солнца (расположенного, как известно, между рукавами). Интересно, что на гамма-спутниках было обнаружено значительное повышение интенсивности космического гамма-излучения в области галактических долгот 260°—270°. Важно отметить, что в этой области неба находится один из ближайших к нам (r = 450 пс) остатков вспышки сверхновой. Сейчас уже доказано, что упомянутая деталь распределения интенсивности космического гамма-излучения связана с этим остатком, хотя при таком отождествлении были определенные трудности. Гамма-астрономия только начинает развиваться, и, несомненно, мы будем свидетелями новых выдающихся открытий в этой области.

Обозначим энергию всех релятивистских частиц, содержащихся в единице объема (т. е. плотность энергии этих частиц) через W_p. Тогда плотность энергии релятивистских электронов можно представить как W_e = kW_p, где величина k меньше единицы. Трудность проблемы состоит в том, что значение k, как правило, весьма неопределенно. Из анализа состава первичных космических лучей, наблюдаемых в непосредственной близости от Земли, следует, что k 0,01. Заметим, в этой связи, что поиски релятивистских электронов в космических лучах были предприняты как раз в связи с успехами приложения синхротронной теории к радиоастрономии. Однако ниоткуда не следует, что величина k во всех источниках, в частности, в остатках вспышек сверхновых, должна быть такая же, как и в окрестностях Земли. Более того, в § 17 мы приведем аргументы в пользу того, что в Крабовидной туманности основную часть релятивистских частиц должны составлять электроны и позитроны. При расчетах, за неимением лучшего, обычно делаются два предположения: k = 0,01 и k = 1. К счастью, на основных выводах, касающихся природы остатков сверхновых, такая неопределенность в значении k отражается не очень сильно.

Рис. 16.9: Радиоизображение туманности Кассиопея А.Радиоизображение туманности Кассиопея А.

Существенным является то обстоятельство, что плотность энергии релятивистских частиц W_p не может превышать плотность энергии магнитного поля W_м, которая, как известно, равна H²/8. В противном случае магнитное поле не сможет удерживать релятивистские частицы длительное время и они со скоростью, близкой к скорости света, разлетятся по всем направлениям. С другой стороны, вполне может быть такая ситуация, когда W_м > W_p. Математически условие удержания релятивистских частиц магнитным полем запишется так:

(16.12)

Можно показать, что если W_м W_p, то полная энергия релятивистских частиц вместе с энергией магнитного поля достигает минимума. Поэтому при расчетах, как правило, применяют дополнительное условие (16.12) и, таким образом, находят нижнюю границу энергий релятивистских частиц и поля в источнике. Похоже на то, что для большинства радиоисточников выполняется условие H²/8 = W_p.

Рис. 16.10: Радиоизображение двух остатков сверхновых.

Распределение интенсивности у протяженных радиоисточников — остатков вспышек сверхновых, довольно сложно. На рис. 16.9 приведено «радиоизображение» туманности Кассиопея А, полученное с помощью радиоинтерферометра с хорошей разрешающей способностью. Хотя структура радиоизображения, приведенная на рис. 16.9, довольно сложна и изобилует большим количеством деталей (там видно по крайней мере 10 маленьких конденсаций), в целом она имеет явно выраженный «оболочечный» характер. Радиоизлучение сосредоточено на периферии некоторого сфероидального объема, причем толщина радиоизлучающего слоя составляет несколько десятых его радиуса. Последний легко оценить из измеренного углового радиуса (около 2,5) и расстояния до Кассиопеи А, которое, как мы видели, составляет около 3000 пс. Оказывается, что радиус сфероидального объема, заполненного по периферии релятивистскими частицами, немного превосходит 2 пс. На рис. 16.10 приведены более грубые радиоизображения «старых» остатков сверхновых, полученные с меньшей разрешающей способностью. И в этом случае отчетливо видна оболочечная структура радиоисточников. Следует, однако, подчеркнуть, что все эти оболочки имеют весьма неправильную структуру. Линейные размеры оболочек можно определить по их известным угловым размерам, если знать расстояния до них. В случае системы волокнистых туманностей в Лебеде (см. рис. 16.2) расстояние надежно определяется по измеренным лучевым скоростям волокон и скорости их «расползания» по небу, выраженной в секундах дуги за год (см. § 15). Отсюда следует, что радиус этого источника около 20 пс, т. е. в десять раз больше, чем радиус Кассиопеи А. У других источников, радиоизображения которых приведены на рис. 16.6, радиусы получались по расстояниям, найденным радиоастрономическим методом, о котором речь будет идти ниже. Для большинства таких источников радиусы близки к 10 пс.

Теперь в нашем распоряжении имеются все необходимые данные, чтобы определить энергию релятивистских частиц в остатках вспышек сверхновых и величину имеющегося там магнитного поля. Необходимая для расчетов интенсивность радиоизлучения может быть получена из измеренного значения потока и угловых размеров. Если в пределах данных угловых размеров интенсивность (т. е. яркость) остается постоянной, то приближенно будем иметь

(16.13)

где  — телесный угол, под которым видна данная деталь источника, F — поток от этой детали. Зная F для всех деталей, можно найти I для каждой из них, а потом, после суммирования,— полную энергию релятивистских частиц в источнике. Одновременно получается распределение магнитного поля в его пределах. Для грубых расчетов можно даже совсем не обращать внимание на структуру изображения источника, считая его объектом постоянной интенсивности, которую в этом случае можно определить также по формуле (16.13). В этом случае F означает измеренный поток от всего источника, а  — телесный угол, под которым он виден.

В случае Кассиопеи А при k = 1 вычисления дают значение W_e = 2 10⁴⁸ эрг. Этой же величине равна, по условию, энергия W_H магнитного поля в источнике, откуда H = 2,5 10^-4 эрстед. Если же, в окрестностях Земли или в источнике Паруса X, релятивистские электроны составляют только один процент от полной энергии релятивистских частиц, т. е. k = 0,01, то значение W_p увеличивается, согласно расчетам, в семь раз, в то время как напряженность магнитного поля вырастет в 2,7 раза. Следовательно, в этом случае W_p 10⁴⁹ эрг, а H 7 10^-4 Э. Обратим внимание на огромную величину энергии релятивистских частиц, заключенных в области остатков вспышки сверхновой. Она почти равна всей энергии, которая была излучена за время вспышки звезды. Значение магнитного поля в оболочке сверхновой также довольно велико: оно в сотню раз превышает величину межзвездного магнитного поля.

Аналогичные вычисления, выполненные для других, более «старых» остатков вспышек сверхновых, дают сходные значения W_p 10⁴⁸ эрг и заметно меньшие значения напряженности магнитного поля. Так, у источника, связанного с волокнистыми туманностями в Лебеде, при k = 1 W_e = W_p = 2,5 10⁴⁸ эрг, H 2 10^-5 Э, а при k = 0,01 W_e = 1,7 10⁴⁹ эрг, H = 5 10^-5 Э. Итак, релятивистские частицы и магнитные поля являются весьма существенным атрибутом остатков вспышек сверхновых, во многих отношениях определяющим эволюцию этих объектов. Это, в частности, связано с большой ролью, которую играет в динамике остатков давление магнитного поля и релятивистских частиц. Взаимодействие последних с плазмой, присутствующей в остатках вспышек, осуществляется через магнитное поле: релятивистские частицы оказывают давление на силовые линии магнитного поля, а последнее управляет движением плазмы.

Мы видим, что физические условия в оболочках — остатках вспышек сверхновых определяются сложным переплетением взаимодействий космических лучей, магнитных полей, очень горячей плазмы, образующейся за фронтом ударной волны, и погруженных в эту плазму плотных, сравнительно холодных газовых волокон. Таким образом, синхротронная теория полностью объяснила все особенности радиоизлучения остатков сверхновых. В частности, стала понятной наблюдаемая линейная поляризация радиоизлучения от Кассиопеи А, волокнистых туманностей в Лебеде и родственных объектов — остатков вспышек сверхновых. Эта поляризация достигает значительной величины, доходя в отдельных деталях до десятка процентов. Заметим, что тепловое радиоизлучение в условиях сравнительно слабых магнитных полей не может быть сколько-нибудь заметно поляризовано. Между тем синхротронное излучение, как можно понять, почти всегда должно быть поляризовано, так как в излучающем объекте всегда имеется физически выделенное преимущественное направление, связанное с магнитным полем! Только в тех случаях, когда магнитные поля в источнике распределены хаотично, причем масштаб однородностей поля намного меньше размеров источника, поток синхротронного излучения от последнего почти не будет поляризован. Объяснение поляризации источников космического радиоизлучения есть большое достижение синхротронной теории.

Однако любая теория только тогда может быть признана правильной, когда исходя из нее можно предсказать совершенно новое явление, которое после этого наблюдается. В истории астрофизики и радиоастрономии большую роль сыграло предсказание поляризации оптического излучения Крабовидной туманности, которое блестяще подтвердилось наблюдениями. Это предсказание было сделано на основе истолкования давно известного оптического излучения этой туманности как синхротронного, о чем подробно речь будет идти в следующем параграфе. Сейчас мы рассмотрим другое следствие синхротронной теории, позволяющее сделать важное предсказание, которое было подтверждено на опыте.

Остатки вспышек сверхновых представляют собой неограниченно расширяющиеся объекты, в конце концов рассеивающиеся в межзвездной среде. Туманность Кассиопея А, которая достаточно подробно описывалась выше, является молодым объектом. Облака газа, выброшенные при вспышке сверхновой, только едва начинают тормозиться межзвездной средой. Они почти полностью сохранили свою первоначальную скорость, приобретенную, во время взрыва. Наоборот, такие объекты, как волокнистые туманности в созвездии Лебедя, IС 443 и аналогичные им, представляют собой достаточно старые остатки вспышек сверхновых. Их линейные размеры в 5—10 раз превышают линейные размеры Кассиопеи А. Скорость их расширения сильно упала. Наконец, и это, пожалуй, самое интересное — мощность их радиоизлучения значительно меньше, чем мощность радиоизлучения Кассиопеи А. Мощность источника пропорциональна произведению квадрата расстояния до него на величину потока. Так как расстояние до волокнистых туманностей в Лебеде почти в четыре раза меньше, чем до Кассиопеи А, а поток радиоизлучения почти в сто раз меньше, то мощность радиоизлучения Кассиопеи А оказывается в полторы тысячи раз больше, чем у такого «старого» объекта, как волокнистые туманности в Лебеде! Таким образом, мы приходим к чисто эмпирическому выводу, что по мере расширения остатка вспышки сверхновой мощность его радиоизлучения сильно уменьшается. Еще в большей степени уменьшается поверхностная яркость «старых» остатков. Например, поверхностная яркость радиоисточника, связанного с волокнистыми туманностями, в сотню тысяч раз меньше, чем Кассиопеи А.

Между тем количество релятивистских электронов, ответственных за синхротронное излучение этих объектов, практически не уменьшается в течение их эволюции. Ведь релятивистские частицы как бы «заперты» в сдерживающем их запутанном магнитном поле, накрепко привязанном к расширяющимся газовым волокнам. По какой же причине происходит столь разительное уменьшение мощности и интенсивности радиоизлучения остатков вспышек сверхновых по мере их эволюции?

Этот вопрос исследовался автором настоящей книги в 1960 г. Оказывается, что по мере расширения радиотуманности должна уменьшаться напряженность магнитного поля. Можно ожидать, что в процессе расширения сохраняется значение магнитного потока, т. е. произведение квадрата радиуса радиотуманности на среднюю величину магнитного поля. Если это так, то магнитное поле такого объекта по мере его расширения должно меняться в первом приближении как R^-2, где R — радиус радиотуманности. Есть еще две причины, ведущие к уменьшению мощности радиоизлучения. Первая состоит в том, что в процессе расширения области, в которой заключены релятивистские электроны, каждый из них уменьшает свою энергию обратно пропорционально радиусу области. Это явление вполне аналогично охлаждению газа при его расширении. Кроме того, будет непрерывно уменьшаться угол между направлением движения релятивистских электронов и магнитного поля. Так как для синхротронного излучения имеет значение только составляющая магнитного поля, перпендикулярная к направлению движения электрона[ 37 ] (например, если релятивистский электрон будет двигаться строго вдоль поля, он ничего излучать не будет), то это явление равносильно дополнительному уменьшению магнитного поля, что также приведет к уменьшению мощности синхротронного излучения остатков вспышек сверхновых.

Таким образом, есть несколько достаточно серьезных причин для непрерывного уменьшения мощности синхротронного излучения радиотуманностей по мере их расширения. Учет всех этих причин позволяет получить следующую простую формулу для зависимости мощности эволюционирующего источника синхротронного излучения от радиуса радиотуманности на адиабатической фазе расширения последней:

(16.14)

где, как и раньше, означает спектральный индекс источника. Средняя поверхностная яркость расширяющегося радиоисточника должна убывать по более «крутому» закону:

(16.15)

Эта формула в первом приближении вполне удовлетворительно описывает уменьшение потока и яркости радиоизлучения от расширяющихся остатков вспышек сверхновых. Из нее, например, следует, что когда в процессе расширения линейные размеры Кассиопеи А станут равны современным размерам системы волокнистых туманностей в Лебеде, мощность ее синхротронного излучения упадет во много тысяч раз. Наоборот, когда остатки сверхновой, связанные с тонковолокнистыми туманностями в Лебеде, имели размеры современной Кассиопеи А, то принимая во внимание, что для этого источника = 0,47, мощность его радиоизлучения должна была быть в несколько раз больше, чем у современной Кассиопеи А.

Таким образом, теория предсказывает, что потоки радиоизлучения от остатков вспышек сверхновых должны непрерывно убывать. Допустим теперь, что расширение источника происходит с постоянной скоростью, что справедливо для молодых, еще не затормозившихся источников, к числу которых принадлежит Кассиопея А. В таком случае радиус источника пропорционален его возрасту и мы можем переписать формулу (16.14) в виде

(16.16)

так как поток F пропорционален мощности L, а расстояние r до источника за время его эволюции не меняется.

Обозначим годичное уменьшение потока от такого источника через F. Тогда не представляет труда получить выражение для относительного уменьшения потока за год:

(16.17)

где T — возраст источника, выраженный в годах. Для Кассиопеи А = 0,8, а T 300 лет, откуда F/F 1,7% в год, т. е. ожидаемое «вековое» уменьшение потока от Кассиопеи А должно несколько превышать 1,5% в год! Это очень большая, а главное — вполне измеримая величина. Таким образом, последовательное применение теории синхротронного излучения к Кассиопее А позволило предсказать, что этот самый яркий радиоисточник на небе должен как бы «таять» на глазах! Сразу же после опубликования этого предсказания в 1960 г. английские радиоастрономы повторили наблюдение Кассиопеи А на том же старом телескопе, на котором был в 1948 г. обнаружен этот замечательный источник. Использование для разновременных наблюдений одного и того же инструмента и тождественной методики значительно уменьшает неизбежные ошибки измерения. Результаты этих наблюдений невольно поразили воображение: за время с 1948 по 1960 г. поток от этого ярчайшего источника уменьшился почти на 15%! Годичное изменение потока оказалось равным 1,1 ± 0,14%. В последующие годы такие измерения неоднократно повторялись. Разные авторы дают значение F/F от 1,1 до 1,7% в год. Скорее всего, эта величина близка к 1,2% в год, что на 30% меньше теоретического значения, полученного из формулы (16.17). Следует, однако, иметь в виду, что эта формула получена при упрощающем предположении, что R t, т. е. туманность совершенно не тормозится. Между тем имеются определенные наблюдательные доказательства, что торможение волокон Кассиопеи А межзвездной средой уже началось. Так, например, положительные лучевые скорости волокон этой туманности систематически больше отрицательных, что означает, что обращенная к нам часть оболочки уже начала тормозиться. Учет этого обстоятельства уменьшает величину F/F до наблюдаемого значения 1,2% в год. Через 30 лет поток радиоизлучения от Кассиопеи А уменьшится почти в 1,5 раза, а в середине прошлого века он превосходил современное значение почти в 10 раз! Жалко, правда, что тогда не было радиоастрономии...

Обнаружение предсказанного теорией быстрого уменьшения потока радиоизлучения от Кассиопеи А есть прямое доказательство правильности синхротронной теории и всех ее выводов. У других, более «старых» радиоисточников — остатков вспышек сверхновых — вековое уменьшение потока обнаружить пока нельзя: слишком медленно меняется их радиус.

Рис. 16.11: Зависимость поверхностной яркости остатков сверхновых от радиуса.

Несколько лет назад американские радиоастрономы подтвердили наблюдения горьковских радиоастрономов Станкевича и Цейтлина, установивших, что по мере расширения Кассиопеи А меняется не только ее поток, но и спектр. Последний становится все более «плоским». При таком изменении за время 1000 лет спектральный индекс Кассиопеи А уменьшится почти вдвое и станет близким к спектральному индексу «старых» остатков. Причина этого интересного явления пока неясна. Скорее всего она связана с молодостью источника Кассиопея А, вследствие чего в нем еще продолжается процесс ускорения релятивистских частиц (см. ниже). На рис. 16.11 приведена зависимость поверхностных яркостей остатков от их радиусов для всех объектов с хорошо известными расстояниями. Хорошо видно, что эта зависимость может быть представлена степенным законом, хотя и более пологим, чем при = 0,8. Эмпирически получена зависимость

(16.18)

Нас не должно смущать, что эмпирический закон убывания радиосветимости по мере роста радиуса более пологий, чем теоретический, описываемый формулой (16.15). Во-первых, не все туманности находятся на адиабатической стадии расширения, во-вторых, спектральные индексы большинства туманностей сравнительно невелики.

Полученной эмпирической зависимостью (16.18) мы воспользуемся для того, чтобы развить новый метод определения расстояний до остатков вспышек сверхновых, которые другими методами определить либо невозможно, либо весьма затруднительно. Этот метод носит статистический характер и по идее вполне аналогичен нашему методу определения расстояний до планетарных туманностей, который был предложен в 1956 г. и вскоре стал общепризнанным. В обоих случаях светимость объектов довольно быстро уменьшается с ростом их линейных размеров по мере расширения[ 38 ]. Поэтому разница в размерах разных объектов относительно невелика и в первом приближении расстояние будет обратно пропорционально угловым размерам . Так же, как и в случае планетарных туманностей, различие в линейных размерах радиотуманности учитывается множителем, зависящим от измеренной их интенсивности (или поверхностной яркости). Кроме того, в окончательную формулу войдут такие характеристики взрыва сверхновой, как выделившаяся полная энергия E и первоначальное магнитное поле H₀ в оболочке. Эти характеристики вполне аналогичны массе выброшенной оболочки у планетарных туманностей. Окончательно формула для расстояний до радиотуманностей имеет вид

(16.19)

где показатель зависимости L R^- принят равным трем. В настоящее время эта формула (или ее видоизменения) является основной при определении расстояний до радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых, известное число которых уже перевалило за сотню.

Зная расстояния до остатков сверхновых, можно оценить полное количество таких объектов в Галактике. Это количество оказывается порядка 500, причем свыше 100 непосредственно наблюдаются и занесены в каталоги. Так как средний возраст таких остатков близок к 20 000 годам (см. начало этого параграфа), то отсюда можно оценить среднюю частоту вспышек сверхновых в Галактике: примерно одна вспышка за сорок лет.

Из всех остатков сверхновых выделяется один замечательный объект, природа которого, правда, еще окончательно не установлена. Речь идет о знаменитом галактическом «шпуре». Это смешной «перевод» на русский язык английского слова «spur», что попросту означает ... «шпора».

Уже первые радионаблюдения Галактики, выполненные на заре радиоастрономии, выявили в распределении радиояркости по небу одну очень крупную деталь. Известно, что интенсивность космического радиоизлучения имеет значительную концентрацию к галактическому экватору и центру. Однако в 30° от центра из области галактического экватора почти перпендикулярно к нему отходит довольно яркая, сравнительно узкая полоса радиоизлучения, которая тянется на огромное расстояние почти до северного галактического полюса и, описав гигантскую петлю, возвращается обратно к галактическому экватору. В целом «шпур» представляет собой на небесной сфере малый круг диаметром около 110°. Спектр «шпура» указывает на то, что его излучение имеет синхротронную природу. Никаких протяженных, даже очень слабых оптических объектов в области «шпура» не обнаружено.

В разное время предлагалось несколько гипотез, в которых содержались попытки объяснения природы этой весьма значительной детали радиоизлучения Галактики. Наиболее интригующей является гипотеза, согласно которой «шпур» — это не что иное, как остаток вспышки сверхновой, имевшей место несколько десятков тысяч лет назад. Так как поверхностная яркость радиоизлучения «шпура» примерно такая же, как .у радиотуманности, связанной с волокнистыми туманностями в Лебеде, линейный диаметр «шпура» при такой интерпретации должен быть около 35—40 пс. Следовательно, вспышка сверхновой произошла очень близко от Солнца — всего лишь на расстоянии около 25 пс. Это могло случиться примерно 20 000 лет назад — на памяти кроманьонского человека...

Серьезным доводом в пользу гипотезы о «сверхновой» природе «шпура» явилось уверенно обнаруженное мягкое рентгеновское излучение во всей его полосе. Мы уже знаем, что такое рентгеновское излучение является важнейшим атрибутом старых остатков вспышки сверхновых. Отсутствие оптических тонковолокнистых туманностей в области «шпура» не должно рассматриваться как серьезный аргумент против обсуждаемого объяснения его природы. Оптические остатки сверхновых отличаются большим разнообразием. В сущности, мы пока еще плохо представляем, как образуются удивительно тонкие газовые волокна в ударной волне, распространяющейся в межзвездной среде после вспышки сверхновой. Имеется, однако, один важный аргумент против такой интерпретации: никакого повышения интенсивности жесткого гамма-излучения в области «шпура» не обнаружено. Это означает, что релятивистских протонов там мало. И все же представляется весьма вероятным, что около 20 000 лет назад в окрестностях Солнца произошла вспышка сверхновой. Это очень маловероятное событие, так как в среднем такое событие должно происходить один раз в несколько миллионов лет. Как же выглядело это явление с точки зрения «кроманьонского наблюдателя»? Прежде всего он видел необыкновенно яркую звезду, видимая величина которой около -17. Освещенность, создаваемая на Земле этой звездой, в сто раз превосходила освещенность от полной Луны, хотя все же была в десять тысяч раз меньше, чем от Солнца. Так как во время максимума блеска цветовая температура сверхновой II типа около 40 000 К, то основное ее излучение было сосредоточено в ультрафиолетовой части спектра. Поток этого излучения, способного ионизовать верхние слои атмосферы Земли, был 1000 эрг/см² с, что в тысячу раз больше, чем поток такого излучения от Солнца. Из-за этого ионизация верхних слоев атмосферы увеличилась в десятки раз. Однако это губительное для всего живого излучение до поверхности Земли не доходило. Слишком толста «броня» атмосферы нашей планеты.

Важнейшим эффектом от близкой к Солнцу вспышки сверхновой является увеличение уровня первичных космических лучей. Это произойдет тогда, когда расширяющаяся радиотуманность дойдет до Солнечной системы, которая тем самым окажется внутри нее. Из геометрии «шпура» следует, что пока это еще не случилось. Расстояние от Солнечной системы до ближайшей точки радиотуманности должно быть всего 5—10 пс, т. е. весьма незначительно. Потребуется еще несколько десятков тысяч лет, чтобы мы оказались внутри радиотуманности. Что же при этом произойдет? Ничего особенного: интенсивность мягкой компоненты первичных космических лучей увеличится в несколько раз — и только.

Значительно более серьезные последствия для Земли имели бы место, если бы вспышка сверхновой произошла ближе, чем в 10 пс от нас. В этом случае плотность космических лучей может возрасти в десятки раз. Заметим, что такие события в истории нашего Солнца случались очень редко: примерно один раз в сотню миллионов лет. Увеличение плотности космических лучей в окрестностях Солнца будет длиться пару десятков тысяч лет, после чего оболочка радиотуманности удалится и через сотню тысяч лет «космический фон» вернется к своему первоначальному «невозмущенному» значению.

Какие же последствия может иметь столь значительное увеличение плотности первичных космических лучей в окрестностях Солнца? Прежде всего это может (могло бы!) иметь довольно серьезные биологические (точнее, генетические), последствия для многих видов животных и растений, населяющих (или населявших) нашу планету. Известно, что эволюция видов регулируется естественным отбором, являющимся ее движущей силой. Вместе с тем, естественный отбор определяется условиями внешней среды. Неизбежно происходящие мутации сохраняются в потомстве, если они благоприятны для выживания вида. Наличие повышенной радиоактивности в приземном слое воздуха является одной из причин «спонтанных» или самопроизвольных мутаций. Значительное увеличение частоты мутаций по причине повышенной радиоактивности воздуха может повлечь за собой самые серьезные последствия для многих видов. Однако различные виды по-разному реагируют на жесткое облучение. Для видов с коротким циклом размножения для увеличения частоты мутации в два раза требуется увеличение дозы облучения в тысячу раз, в то время как для долгоживущих форм достаточно для этого увеличить дозу в 3—10 раз.

Нами совместно с В. И. Красовским довольно давно была высказана гипотеза, объясняющая известное вымирание рептилий в конце мелового периода вспышкой вблизи Солнца сверхновой звезды. В настоящее время, однако, существующих палеонтологических данных недостаточно, чтобы подтвердить (или опровергнуть) эту гипотезу. Следует еще заметить, что для отдельных видов животных и растений увеличение уровня жесткой радиации могло быть фактором, благоприятствующим их эволюции. Не этим ли объясняется пышный расцвет растительности в каменноугольный период? Наконец, само возникновение жизни на первобытной Земле могло стимулироваться высоким уровнем радиации.

Не будет преувеличением сказать, что ни один космический объект не дал астрономии столько ценнейшей, принципиально новой информации, как Крабовидная туманность. В самом деле, Крабовидная туманность была первым галактическим объектом, с которым был отождествлен источник радиоизлучения. (Это произошло в 1949 г.) Она же была первым галактическим объектом, отождествленным с источником рентгеновского излучения (1963 г.). В Крабовидной туманности впервые был обнаружен совершенно новый тип оптического излучения, дотоле неизвестный астрономам (см. ниже). До этого единственным известным астрономам видом оптического излучения было тепловое излучение звезд и туманностей. Новая интерпретация оптического и радиоизлучения в сочетании с анализом рентгеновского, гамма- и радиоизлучения впервые выявила огромное значение заряженных частиц сверхвысоких энергий и магнитного поля в динамике и эволюции многих космических объектов, главным образом метагалактических. Выяснение природы этой замечательной туманности помогло развитию современных астрофизических представлений, согласно которым в масштабе галактик, скоплений галактик и Метагалактики космические лучи играют не менее важную роль, чем «классические» компоненты материи — звезды и межзвездная среда. В самом конце 1968 г. Крабовидная туманность преподнесла астрономам очередной сюрприз: в ее центре находится самый замечательный из всех известных пульсаров. О нем будет много сказано в следующей части этой книги. Здесь мы только подчеркнем, что и в этом случае Крабовидная туманность оказалась первым известным космическим объектом, генетически связанным с пульсарами—этим совершенно новым типом населения Галактики. Автор книги ждет новых «сюрпризов» от этой так много уже «поработавшей» для астрономии туманности. В частности, он не будет удивлен, если пульсар в Крабовидной туманности окажется первым объектом, от которого будет обнаружено гравитационное излучение (см. § 24).

В последнее время считают, что Крабовидная туманность представляет собой остаток вспышки сверхновой II типа. В пользу этого вывода говорит ее сравнительно большая масса (1—2 M) и аномально богатый гелием химический состав ее газовых волокон (см. ниже). Последнее обстоятельство указывает на то, что перед взрывом звезда, «породившая» Крабовидную туманность, прошла существенную часть своего эволюционного пути. Современные оценки первоначальной массы звезды, вспыхнувшей в 1054 г. как сверхновая, дают значение около 10 солнечных масс.

Еще в XIX веке Крабовидная туманность была объектом исследования ряда выдающихся астрономов. Однако большинство этих наблюдений были визуальными. Знаменитый английский астроном-наблюдатель лорд Росс был, пожалуй, первым, кто обратил внимание на волокнистую структуру Крабовидной туманности. Он же был «крестным отцом» этой туманности, назвав ее из-за характерной формы «Крабом». На рис. 17.1 приведена зарисовка этой туманности, сделанная Россом в 1844 г., где она действительно похожа на краба. При всей своей наивности этот рисунок вполне соответствует современным фотографиям (рис. 17.2). В частности, знаменитый «залив» этой туманности, хорошо видный на фотографии, и определяет две «клешни» «краба».

Рис. 17.1: Зарисовка Крабовидной туманности, сделанная лордом Россом.

Рис. 17.2: Фотография Крабовидной туманности.

Рис. 17.3: Раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности.Раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности.

Первая фотография Крабовидной туманности была получена в 1892 г. Спектр Крабовидной туманности начал исследоваться уже в XX столетии известным американским астрономом Слайфером (1913—1915 гг.). В частности, он первым обратил внимание на раздвоение ее спектральных линий излучения (рис. 17.3), ошибочно объяснив его... эффектом Штарка, который незадолго до его наблюдения был открыт в лаборатории. Конечно, сейчас такая «интерпретация» может вызвать улыбку. Не будем, однако, слишком строги к замечательному астроному, сделавшему немалое число важных открытий[ 39 ]: ведь в то время астрофизика была в эмбриональном состоянии. Слайфер же первым обратил внимание на яркий непрерывный спектр Крабовидной туманности, на который накладываются линии излучения. В дальнейшем ряд астрономов занимался спектроскопическими исследованиями этой туманности. Мы теперь кратко опишем ее спектр. В первом приближении он похож на спектры планетарных туманностей. Наиболее яркими линиями излучения являются характерные «запрещенные» линии ионизованных кислорода, азота и серы. Наблюдаются также более слабые линии водорода. Однако, в отличие от всех известных газовых туманностей, в том числе и планетарных, Крабовидная туманность имеет очень яркий непрерывный спектр. Конечно, и в газовых туманностях наблюдается сравнительно слабый непрерывный спектр, в частности, образующийся при одновременном излучении двух квантов (так называемый «двухфотонный процесс», на котором останавливаться здесь мы не можем). Однако в Крабовидной туманности только несколько процентов полного излучения сосредоточено в линиях, между тем как в планетарных туманностях картина совершенно обратная.

Знаменитый американский астроном-наблюдатель Бааде еще в конце тридцатых годов получил исключительно интересные фотографии Крабовидной туманности через светофильтры. На рис. 17.4 приведена фотография, полученная на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт Вилсон через фильтр, пропускающий известную красную линию водорода H и близко расположенные к ней линии ионизованного азота. Эта фотография сильно отличается от фотографий, снятых в белом свете (см. рис. 17.2). Видна изумительной красоты ажурная сеть тонких волокон, охватывающих всю туманность по ее периферии. Из этой фотографии следует, что спектральные линии излучаются не всем объемом туманности, а только сетью волокон, в то время как непрерывный спектр излучается всем объемом туманности. Структура областей, излучающих только непрерывный спектр, была получена на фотографии, снятой через специальный фильтр, в пределах «полосы пропускания» которого нет сколько-нибудь интенсивных линий излучения (рис. 17.5). Эта фотография разительно отличается от приведенной на рис. 17.4. Неспециалисту может показаться, что речь идет о двух совершенно различных объектах! Структура туманности на этой фотографии выглядит гораздо более «диффузной» или «аморфной», чем на рис. 17.4. По-разному распределены и яркие детали. Таким образом, эти фотографии доказывают, что Крабовидная туманность состоит из двух отдельных частей: «ажурной» сетки тонких газовых волокон, расположенных в виде оболочки по периферии туманности, и занимающей практически весь объем «аморфной», излучающей непрерывный спектр субстанции, природа которой многие годы оставалась загадочной.

Рис. 17.4: Фотография. Крабовидной туманности через светофильтр, пропускающий линию H.

Туманность имеет форму довольно правильного эллипса, угловые размеры которого приблизительно равны 4 6. Обратим внимание, что вблизи центра этого эллипса находятся две слабые звездочки 16-й величины, расположенные на расстоянии около 5 друг от друга. Южная (на фотографии — нижняя) из этих звездочек сыграла выдающуюся роль в истории астрономии (см. § 19). Сама туманность имеет видимую звездную величину около 8^m,5, т. е. она излучает в тысячу раз больше каждой из описанных выше звездочек.

В 1921 г. французский астроном Лампланд из сравнений фотографий туманности, снятых через 8 лет, нашел, что в ней наблюдаются изменения. Отдельные яркие детали аморфной массы вполне заметно переместились, но распределение яркости не остается постоянным, а как бы «дышит». В течение более 30 лет эти удивительные изменения не могли быть объяснены. Это явление изменчивости деталей — уникальное свойство Крабовидной туманности. Ни у планетарных, ни у диффузных туманностей ничего подобного не наблюдается. Из известного расстояния до «Краба» (см, дальше) и углового смещения деталей за 8 лет можно было сделать вывод, что отдельные части туманности движутся со скоростью, близкой к 0,1 скорости света — величина фантастически большая! Ввиду полной, как казалось, иррациональности этого явления астрономы просто не занимались им. Природа этих вариаций стала ясной, когда был наконец понят механизм оптического излучения Крабовидной туманности, о чем речь будет идти дальше.

Рис. 17.5: Фотография Крабовидной туманности через светофильтр, не пропускающий ярких линий излучения.

Значительно медленнее меняется расположение газовых волокон туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 30 лет, позволили установить, что вся система волокон расширяется. Она как бы «расползается» по небу с угловой скоростью около 0,23 в год. С другой стороны, угловой радиус туманности составляет около 180. Отсюда непосредственно следует, что возраст туманности, полученный в предположении, что скорость ее расширения все время оставалась постоянной, почти в точности равен 800 годам. Это, конечно, близко к возрасту, отсчитываемому от момента вспышки сверхновой (930 лет), но все же меньше его. Отсюда следует важный вывод, что движение волокон Крабовидной туманности происходит ускоренно. Только выяснение природы излучения «аморфной» массы Крабовидной туманности позволило объяснить причину ускорения ее волокон (см. ниже).

Перейдем теперь к анализу спектральных наблюдений «Краба». Найденное еще Слайфером раздвоение линий излучения в спектре Крабовидной туманности было подтверждено дальнейшими исследованиями. На рис. 17.3 приведен спектр при ориентации щели спектрографа вдоль большой оси туманности. Хорошо видно, что яркие линии излучения в центре туманности раздвоены, в то время как на краях туманности раздвоения линий нет. Линии имеют как бы «клочковатый» вид, что объясняется волокнистой структурой излучающих эти линии областей туманности. Своеобразная «дуговая» форма раздвоенных линий со всей наглядностью доказывает, что причиной раздвоения является расширение системы излучающих эти линии газовых волокон. В центральной области диска туманности волокна при своем расширении движутся на нас и от нас. Первые, из-за эффекта Доплера, будут излучать линии, смещенные к фиолетовому краю спектра, вторые — к красному. Напротив, на краях туманности направление движения волокон почти перпендикулярно к лучу зрения. Поэтому значительного смещения длин волн наблюдаться не будет. Из измерения расстояния между компонентами раздвоенных линий можно получить скорость расширения системы волокон, которая в среднем около 1200 км/с. Зная угловую скорость «расплывания» волокон в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения (0,23 в год) и линейную скорость расширения, можно определить расстояние до Крабовидной туманности, которое, с учетом ее эллипсоидальной формы, оказывается близким к 1700 пс. Это значение хорошо согласуется с оценкой видимой величины «звезды-гостьи» 1054 г. С учетом поглощения света получается, что абсолютная величина этой звезды в максимуме была около -18^m, что близко к абсолютной величине сверхновых.

По измеренным лучевым скоростям волокон и их «собственным движениям» на небесной сфере можно построить грубую пространственную модель Крабовидной туманности, приведенную на рис. 17.6. Причудливо переплетающаяся сеть газовых волокон этой туманности как бы «окаймляет» аморфную массу, находясь на ее периферии. Анализ относительных интенсивностей спектральных линий излучения и их ширин позволяет понять картину физических условий в газовых волокнах. Оказывается, что для отдельных волокон электронная концентрация меняется в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч на кубический сантиметр, в то время как температура газа близка к 20 000 К. Химический состав волокон, насколько это можно судить по их спектрам, отличается от состава других газовых туманностей довольно значительно. Имеются все основания полагать, что в «Крабе» относительное обилие гелия выше приблизительно в пять раз, причем для разных волокон оно меняется. Полная масса газа, находящегося в волокнах Крабовидной туманности, близка к массе Солнца.

Рис. 17.6: Пространственная модель волокон Крабовидной туманности.

Прежде чем перейти к анализу основной компоненты оптического излучения Крабовидной туманности с непрерывным спектром, мы должны остановиться на ее радиоизлучении. Радиоизлучение Крабовидной туманности было обнаружено в Австралии в 1949 г. Болтоном. Несомненно, что это открытие было важной вехой на пути понимания природы Крабовидной туманности. Уже первые наблюдения позволили установить существенное различие между радиоспектрами Крабовидной туманности и других известных тогда радиоисточников. Первый оказался гораздо более «пологим», чем вторые. Спектральный индекс радиоизлучения Крабовидной туманности оказался аномально малым, всего лишь 0,28. Это означает, что уменьшение потока радиоизлучения при повышении частоты происходит гораздо медленнее, чем у других источников. Так например, если на волне 3 м поток от Кассиопеи А в десять раз больше, чем от Крабовидной туманности, то на сантиметровом диапазоне ситуация уже становится обратной. Угловые размеры Крабовидной туманности в радиодиапазоне практически такие же, как и в оптическом. Следует еще подчеркнуть одно важное обстоятельство. Как мы видели в предыдущем параграфе, радиоисточники, связанные со «старыми» остатками вспышек сверхновых, имеют «оболочечную» структуру, т. е. у них радиоизлучающие области расположены на периферии. Ничего подобного в распределении радиоизлучения Крабовидной туманности не наблюдается. Источники радиоизлучения в этом случае заполняют весь объем туманности, концентрируясь к ее центру.

Большой интерес всегда представляли радиоастрономические наблюдения Крабовидной туманности во время ее покрытия Луной. Дело в том, что Крабовидная туманность, из-за ее близкого расположения к эклиптике, изредка «затмевается» движущейся по небесному своду Луной. Это открывает богатые возможности изучения распределения яркости радиоизлучения, что весьма важно, так как разрешающая способность радиотелескопов до недавнего времени была недостаточна. Находящий на туманность край Луны как бы «выключает» те или иные яркие детали, тем самым давая возможность определить их координаты с большой точностью. Покрытия Крабовидной туманности Луной происходят примерно раз в 10 лет. Во время радионаблюдений покрытия «Краба» Луной в 1964 г. было сделано одно очень важное открытие. Оказалось, что в самом центре туманности, неподалеку от «южной» звездочки, о которой речь шла выше, наблюдается источник радиоизлучения очень малых угловых размеров, во всяком случае не больше 0,1 секунды дуги. Этот источник особенно интенсивен на низких частотах. Так, например, на частоте около 25 МГц (длина волны около 12 м) он дает от 30 до 50 процентов всего потока радиоизлучения от Крабовидной туманности. На существование такого радиоисточника указывали также и более ранние наблюдения «мерцания» радиоизлучения Крабовидной туманности при ее прохождении через плазму внешней короны Солнца, что бывает ежегодно 15 июня, когда Солнце в своем видимом годичном движении по эклиптике очень близко подходит к «Крабу». Только спустя почти пять лет после этих наблюдений стало ясно, что этим малым радиоисточником является знаменитый пульсар, открытый в центре Крабовидной туманности в конце 1968 г.!

Радиоизлучение Крабовидной туманности на частотах сантиметрового диапазона обнаруживает значительную линейную поляризацию. Сам по себе этот факт является сильным аргументом в пользу вывода, что радиоизлучение Крабовидной туманности имеет «синхротронную» природу. Еще до открытия поляризации радиоизлучения в 1953 г. автор настоящей книги предложил эту теорию для объяснения радиоизлучения Крабовидной туманности. Расчет типа описанного в § 16 позволяет сделать вывод, что для объяснения наблюдаемого радиоизлучения необходимо принять, что в Крабовидной туманности имеется магнитное поле, напряженность которого около 10^-3 Э. Радиоволны излучают находящиеся в Крабовидной туманности релятивистские электроны, энергия которых порядка нескольких сот миллионов электронвольт. Полная энергия магнитного поля, заключенного в Крабовидной туманности, очень велика, порядка 3 10⁴⁸ эрг. Полезно сравнить эту энергию с кинетической энергией газовых волокон Крабовидной туманности, разлетающихся, как мы видели, со скоростью 1500 км/с. При массе волокон 1 массы Солнца, или 2 10³² г, получим, что их кинетическая энергия 1,5 10⁴⁹ эрг, т. е. почти такая же, как энергия магнитного поля. Отсюда следует важный вывод, что магнитное поле Крабовидной туманности должно играть заметную роль в динамике расширения ее волокон — обстоятельство, к которому мы вернемся ниже.

В том же 1953 г. автор этой книги объяснил «аморфное» оптическое излучение Крабовидной туманности тем же синхротронным механизмом, который ответствен за ее радиоизлучение. Предыдущие попытки объяснения этого давно известного излучения наталкивались на большие, в сущности говоря, непреодолимые, трудности. Согласно «классической» трактовке непрерывного оптического спектра Крабовидной туманности, основанной на единственно известном тогда механизме теплового излучения горячего, ионизованного газа, следовало предположить, что в Крабовидной туманности имеется огромное количество этого газа, порядка 20—30 солнечных масс. При этом необходимо было считать, что температура такого газа исчисляется сотнями тысяч градусов, что совершенно необычно для газовых туманностей, температура которых в десятки раз ниже. Наконец, в газовых волокнах наблюдается значительно более низкая температура — порядка 10—20 тысяч кельвинов. Очень трудно себе представить, как могут такие сравнительно холодные волокна существовать, будучи окружены со всех сторон значительно более горячей плазмой той же плотности. Ведь давление «внешнего» горячего газа должно будет неограниченно их сжимать!

Представление о том, что у Крабовидной туманности оптическое излучение с непрерывным спектром, так же как и ее радиоизлучение, объясняется синхротронным механизмом, радикально снимает все эти трудности и противоречия. Ведь если в этой туманности существуют релятивистские электроны с энергиями, лежащими в интервале 10⁸—10⁹ эВ, то должны быть, конечно, в значительно меньшем количестве, релятивистские электроны с большими энергиями, например, в интервале 10¹¹—10¹² эВ. Так как частоты, на которых излучают синхротронным механизмом релятивистские электроны, пропорциональны квадрату их энергий (см. формулу (16.13)), то если электроны с энергией 10⁸—10⁹ эВ в магнитном поле H 10^-3 Э излучают на частотах дециметрового и сантиметрового диапазона, электроны с энергией 10¹¹ эВ будут излучать как раз на оптических частотах, которые в сотни тысяч раз выше. Идея, как видим, довольно простая.

Спектральная плотность потока в непрерывном оптическом спектре Крабовидной туманности почти в 400 раз меньше, чем в области радиочастот. С другой стороны, спектральная плотность потока радиоизлучения хотя и медленно, но убывает с ростом частоты. Логично было сделать вывод, что и дальше, в сторону миллиметровых и инфракрасных волн, может быть продолжено синхротронное излучение Крабовидной туманности. И, наконец, почему бы ему не тянуться еще дальше, до оптических и даже более высоких частот? Другими словами, следует ожидать единого синхротронного спектра у этой туманности, который должен тянуться от радио- до оптических и более высоких частот.

Расчеты показывают, что в Крабовидной туманности имеется единый энергетический спектр релятивистских электронов, включающий в себя как гораздо более многочисленные электроны с энергией 10⁸ — 10⁹ эВ, являющиеся причиной ее радиоизлучения, так и в десятки тысяч раз меньшее количество значительно более энергичных электронов с энергией порядка 10¹¹—10¹² эВ, излучающих оптические и ультрафиолетовые кванты. Концентрация последних совершенно ничтожна: один электрон на сотни кубических метров пространства! Полная же масса всех релятивистских частиц в Крабовидной туманности, если считать, что на один релятивистский электрон приходится один релятивистский протон, около 10²⁷ г, что близко к массе земного шара! Для того чтобы попытаться количественно объяснить оптическое излучение Крабовидной туманности тепловым механизмом, нужно было предположить, что там содержится 10³⁵ г горячего газа, т. е. в сотню миллионов раз больше вещества, чем в случае релятивистских частиц. Мы видим, как эффективен механизм синхротронного излучения: ничтожное количество релятивистских частиц обеспечивает мощное излучение туманностей в течение довольно длительного времени.

Таким образом, новая концепция превратила «аморфную» массу Крабовидной туманности в «пузырь», содержащий совершенно ничтожное (по космическим масштабам, конечно) количество вещества в форме релятивистских частиц. Помимо большого количества трудностей старой, «тепловой» теории, синхротронная теория сняла еще одну трудность, известную со времен Лампланда. Она непосредственно объяснила наблюдавшиеся этим астрономом быстрые изменения в распределении яркости «Краба» (см. выше). Ведь отдельные облака релятивистских электронов могут двигаться в пределах туманности со скоростью, составляющей заметную часть скорости света!

Рис. 17.7: Фотографии Крабовидной туманности через различно ориентированные поляроиды.

Снятие затруднений старой теории само по себе, конечно, очень важно. Не менее привлекательна логическая стройность и изящество новой теории. Однако все это, конечно, еще не означает, что новая теория — правильная. Чтобы теоретическое построение стало твердо установленной истиной, необходимо, основываясь на новых представлениях, предсказать такие эффекты, которые либо были до этого совершенно неизвестны, либо казались абсолютно непонятными. Мы можем считать, что последними были наблюдаемые изменения в Крабовидной туманности. Что касается совершенно новых эффектов, то и за этим дело не стало. На основании новой теории И. М. Гордон и В. Л. Гинзбург предсказали, что оптическое излучение Крабовидной туманности, если оно имеет синхротронную природу, должно быть линейно поляризовано. Этот предсказанный на основе теории эффект впервые был обнаружен советскими астрономами М. А. Вашакидзе и В. А. Домбровским в 1954 г., которые наблюдали независимо друг от друга и разными методами. Они использовали телескопы весьма скромных размеров и смогли получить только среднюю поляризацию от туманности. Поляризацию отдельных деталей «Краба» они исследовать не могли. Тем не менее их результаты оказались весьма впечатляющими. Усредненная степень поляризации оказалась близкой к 10%. Это очень большая величина. Для сравнения скажем, что поляризация света удаленных звезд, вызванная его прохождением через пылевые облака, редко превышает 1—2% и измеряется при этом вполне надежно.

Через 2 года после советских авторов поляризационные наблюдения Крабовидной туманности были проведены в США на величайшем тогда в мире 5-метровом телескопе. Уже неоднократно упоминавшийся нами американский астроном Бааде получил серию превосходных фотографий «аморфной» массы туманности (для чего был использован специальный светофильтр) через поляроиды, ориентированные по-разному. Эти фотографии, приведенные на рис. 17.7, невольно поражают воображение. Отдельные яркие детали то появляются на одной фотографии, то исчезают на другой, полученной через «перпендикулярно» ориентированный поляроид. Это означает, что свет этих деталей почти на 100% линейно поляризован. Некоторые области туманности при повороте поляроида на 90° изменяются до неузнаваемости. Создается впечатление, как будто это сняты разные туманности... Измерение негативов этих фотографий позволило для каждой точки туманности получить величину и направление поляризации света (рис. 17.8).

Согласно теории синхротронного излучения, направление поляризации должно быть перпендикулярно к направлению магнитного поля в области излучения. Сравнительно регулярный характер поляризации света Крабовидной туманности позволяет построить систему силовых линий находящегося там магнитного поля (рис. 17.9). Обращает на себя внимание то, что направление вытянутости отдельных деталей аморфной массы совпадает с направлением магнитного поля. Отсюда с наглядностью следует вывод, что отдельные сгустки релятивистских частиц как бы «растекаются» вдоль силовых линий. Магнитные силовые линии являются как бы «направляющими» для такого движения, препятствуя «расплыванию» этих частиц в перпендикулярном к полю направлении. Такая картина может наблюдаться только тогда, когда плотность энергии магнитного поля сравнима или превосходит плотность энергии релятивистских частиц. Таким образом, сам характер магнитного поля и его взаимосвязь с «аморфной» массой с предельной наглядностью демонстрирует синхротронный характер оптического излучения Крабовидной туманности.

Рис. 17.8: Поляризация Крабовидной туманности.Поляризация Крабовидной туманности.

Рис. 17.9: Структура магнитного поля Крабовидной туманности.

Особого внимания заслуживает структура самой центральной части Крабовидной туманности. Эту область еще в 1942—1943 гг. тщательно исследовал Бааде, который обнаружил там удивительные изменения. Время от времени в самой центральной части туманности возникают маленькие, довольно яркие конденсации, обычно вытянутой формы, которые очень быстро движутся от места своего зарождения в направлении от центра туманности. Схема структуры самой центральной части «Краба» приведена на рис. 17.10. Два маленьких кружка означают центральные звездочки. Штриховые фигуры b и a символизируют яркие детали туманности. Деталь b почти не изменяется, чего нельзя сказать о детали a, которая меняет свое положение (по отношению к центральным звездочкам), форму и яркость. Она довольно внезапно появляется в пространстве между «нижней» из двух звездочек (которая, как это будет видно в следующей главе, оказалась пульсаром) и деталью b. Далее она движется по направлению к детали b и иногда сливается с нею. Весь описанный выше цикл длится 3—4 месяца. Если знать угловое перемещение детали a и время, в течение которого это перемещение произошло, не представляет труда получить скорость детали a, вернее, ее проекцию на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Эта скорость превышает 40 000 км/с! Очень похоже, что через центральную намагниченную область Крабовидной туманности с огромной скоростью проходит волна сжатия магнитных силовых линий. Это следует из анализа поляризации детали a, приводящего к установлению направления магнитного поля вдоль направления вытянутости этой детали. Следовательно, направление движения детали a перпендикулярно к направлению магнитного поля. Все эти удивительные явления означают, что в центральной части Крабовидной туманности наблюдается продолжающаяся до нашего времени «активность». Это было исторически первое указание на то, что остаток вспышки Сверхновой 1054 г. не «мертв», что в нем происходят какие-то огромной мощности физические процессы, приводящие к наблюдаемой очень быстрой изменчивости в центральной части Крабовидной туманности.

Рис. 17.10: Структура центральной области Крабовидной туманности (схема).

1963 год открыл новую страницу в истории исследования Крабовидной туманности. Весной этого года группа исследователей Морской лаборатории США, возглавляемая выдающимся американским ученым, основоположником внеатмосферной астрономии Фридманом, обнаружила рентгеновское излучение от «Краба». Эксперимент был выполнен на маленькой ракете типа «Айроби». Детектором рентгеновского излучения была «батарея» пропорциональных счетчиков фотонов общей площадью всего лишь в 65 см². Детектор регистрировал кванты в диапазоне 1,5—8 Å. Поток оказался довольно значительным: 1,5 10^-8 эрг/см² с. Это всего лишь на порядок меньше, чем поток от самого яркого рентгеновского источника в созвездии Скорпиона, который был незадолго до этого открыт. Сейчас, спустя 20 лет, техника рентгеновской астрономии позволяет регистрировать потоки в несколько десятков тысяч раз меньшие, чем от Крабовидной туманности. Всего на небе пока обнаружено около 1000 рентгеновских источников. Одним из самых ярких является источник, отождествляемый с Крабовидной туманностью.

Сразу же после открытия этого рентгеновского источника возникла проблема: а что представляет собой этот источник? Можно было ожидать, что излучает сама Крабовидная туманность, т. е. объект, имеющий хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры порядка 5 минут дуги. Но, с другой стороны, нельзя было исключить и возможность того, что источником рентгеновского излучения является звезда, некогда взорвавшаяся как сверхновая. В таком случае угловые размеры рентгеновского источника были бы ничтожно малы, т. е. он оказался бы «точечным». Разрешающая способность рентгеновской астрономии, в данном случае — способность отличить «точечный» источник от малого, но протяженного объекта, 10 лет назад была весьма низка. Счастливое обстоятельство помогло, однако, астрономам быстро решить эту проблему. Мы уже говорили выше о том, что при исследовании распределения радиояркости Крабовидной туманности весьма эффективным оказался метод анализа радиоизлучения во время ее покрытия Луной. Аналогичный метод вполне приложим к анализу рентгеновского излучения Крабовидной туманностью. Нужно в подходящий момент во время покрытия Луной туманности запустить ракету, на которой должен находиться детектор, ориентированный на Краб. При этом должен непрерывно регистрироваться уровень рентгеновского излучения от туманности. Если источник рентгеновского излучения точечный, то в момент его покрытия краем Луны поток резко упадет до нуля. Если источник протяженный, то поток рентгеновского излучения по мере нахождения края Луны на источник будет постепенно уменьшаться.

Рис. 17.11: Результаты рентгеновских наблюдений во время покрытий Луной Крабовидной туманности. Вверху — зависимость скорости счета рентгеновских квантов от времени.

Такой опыт по нашему предложению был осуществлен Фридманом 7 июля 1964 г. Луна закрывала туманность со скоростью около 0,5 за минуту времени. Максимальные угловые размеры Крабовидной туманности 6, следовательно, полная длительность покрытия около 12 минут. Ракета могла находиться на высоте свыше 100 км (где только и можно принимать космическое рентгеновское излучение) всего лишь около 5 минут. По этой причине программа наблюдений была построена так, чтобы можно было наблюдать только центральную часть Крабовидной туманности размером в 2. Результаты этих наблюдений представлены на рис. 17.11, где приведена зависимость показаний детектора от времени при покрытии Крабовидной туманности Луной. Из приведенной на этом рисунке кривой сразу же видно, что источник рентгеновского излучения является протяженным, так как показания детектора убывают по мере закрытия туманности Луной постепенно. На рис. 17.11 (внизу) восстановлено полученное из показаний детектора распределение яркости источника рентгеновского излучения в Крабовидной туманности. Угловые размеры его порядка 1, т. е. значительно меньше размеров туманности в оптических лучах.

В дальнейшем было выполнено много наблюдений рентгеновского излучения Крабовидной туманности в разных спектральных диапазонах. При помощи аппаратуры, установленной на баллонах (воздушных шарах), удалось проследить жесткий спектр Крабовидной туманности вплоть до гамма-диапазона, т. е. вплоть до энергий квантов в сотни миллионов электронвольт[ 40 ]. Напомним, что энергия квантов оптического диапазона составляет 2—3 эВ, а кванты радиодиапазона имеют энергию еще в сотни тысяч и миллионы раз меньшую. Таким образом, отношение энергий квантов крайних областей всего диапазона электромагнитных волн, принимаемого от Крабовидной туманности, составляет 10¹⁴, или сотни тысяч миллиардов. Ни один другой космический объект (включая чрезвычайно близкое к нам и потому очень яркое Солнце) не исследован в таком широком диапазоне спектра. На примере этой туманности мы можем увидеть всеволновой характер современной астрономии. Пока в спектре Крабовидной туманности остаются два «белых пятна»: а) далекая инфракрасная область, б) ультрафиолетовая область. Эти спектральные участки чрезвычайно трудны для наблюдений. Ультрафиолетовое излучение, например, сильно поглощается межзвездной средой. Тем не менее электромагнитный спектр туманности вырисовывается со всей определенностью. Он представлен на рис. 17.12, где по оси абсцисс нанесены частоты излучения (пропорциональные энергиям квантов), а по оси ординат — спектральная плотность потока.

Рис. 17.12: Синхротронный спектр Крабовидной туманности.Синхротронный спектр Крабовидной туманности.

Рис. 17.13: Схема планковского спектра.

Прежде всего видно, что спектр этот совершенно не похож на спектр теплового источника излучения любой, в частности, сколь угодно высокой температуры. Последний описывается известной формулой Планка. Качественно такой спектр представлен на рис. 17.13. Спектр Крабовидной туманности хорошо описывается степенным законом F ^-. Вплоть до далекой инфракрасной области спектральный индекс 0,3, т. е. очень мал. Где-то у частот 10¹³—10¹⁴ Гц (длины волн 10—30 мкм) происходит «перелом» спектра. Начиная с частоты 10¹⁴ Гц и вплоть до огромных частот гамма-диапазона 10²⁴ Гц, спектральный индекс имеет постоянное значение, близкое к 1. Такой спектр однозначно доказывает синхротронную природу всего электромагнитного излучения «Краба». Прямым доказательством этого утверждения является измеренная в 1975 г. поляризация рентгеновского излучения Крабовидной туманности. Если ответственными за метровое радиоизлучение Крабовидной туманности являются релятивистские электроны с энергиями порядка сотен миллионов электронвольт, а за оптическое излучение — с энергиями 10¹¹ эВ, то гамма-излучение вызывается движениями электронов с энергией до 10¹⁵ эВ. Все эти релятивистские электроны движутся в довольно регулярном магнитном поле этой туманности, структура которого изображена на рис. 17.9, а среднее значение напряженности близко к 10^-3 Э. Мощность синхротронного излучения релятивистских электронов пропорциональна квадрату их энергии. С другой стороны, это излучение генерируется за счет энергии релятивистских электронов. По этой причине «время жизни» таких электронов (определяемых как время, в течение которого они потеряют из-за синхротронного излучения существенную часть своей первоначальной энергии) обратно пропорционально их энергии:

(17.1)

где H — напряженность магнитного поля, E — энергия, выраженная в миллиардах электронвольт, a t выражается в годах. Из этой формулы следует один очень важный вывод: время жизни электронов с энергией, большей чем 10¹¹ эВ, меньше 1000 лет, т. е. возраста Крабовидной туманности. Это означает, что если бы там не было непрерывного «возобновления запаса» релятивистских электронов высокой энергии, оптическое излучение «затухло» бы через сто лет. Но это заведомо не так! Со времен Мессье, наблюдавшего эту туманность в XVIII веке, яркость «Краба» почти не изменилась. Следовательно,. в этой туманности непрерывно действует некоторый механизм «накачки» «свежих» релятивистских электронов очень высоких энергий. Что же это за механизм, какова его природа? Эта проблема встала перед астрофизикой свыше 30 лет назад. Решение ее было получено в 1968 г., когда в центре Крабовидной туманности был обнаружен пульсар (см. § 19).

Характерный излом спектра Крабовидной туманности у ₁ 10¹³ Гц объясняется как раз потерями энергии релятивистскими электронами из-за синхротронного излучения. Частота ₁ определяется тем, что релятивистские электроны, излучающие на более низких частотах, «живут» в Крабовидной туманности без заметных потерь энергии больше времени, чем существует сама туманность, в то время как более высокие частоты излучаются более энергичными электронами, время жизни которых сравнительно невелико. Если бы не существовало непрерывной «накачки» таких электронов в туманность, их бы там не было совсем. На основании теории, зная частоту перелома синхротронного спектра ₁ и время жизни туманности t₁, можно поэтому найти напряженность существующего там магнитного поля, которое как бы непрерывно «перерабатывает» этот спектр. Формула для величины поля имеет простой вид:

(17.2)

где t₁ 1000 лет — возраст туманности. Из этой формулы следует, что при ₁ 10¹³ с^-1 H 5 10^-4 Э, т. е. очень близко к принятому выше значению. Заметим, что величина H очень слабо зависит от частоты перелома синхротронного спектра «Краба», которая определяется неуверенно, путем экстраполяции. Ведь прямых измерений потока излучения от туманности в далекой инфракрасной части спектра пока нет. Релятивистские электроны очень высоких энергий ( 10^-14 эВ), ответственные за рентгеновское излучение Краба, будут из-за очень больших потерь на излучение «жить» совсем мало — всего лишь несколько месяцев. Этим, по-видимому, объясняется сравнительно малая протяженность рентгеновского источника центральной части туманности. Поступающие в Крабовидную туманность такие электроны просто не успевают попасть на периферию, так как для этого нужно несколько лет.

Релятивистские частицы, движущиеся вдоль сложных, замкнутых петель магнитного поля Крабовидной туманности, как бы «заперты» в ней. Если их будет достаточно много, они будут «распирать», деформировать петли магнитного поля, стремясь их раздвинуть. Но магнитное поле и само по себе стремится «расползтись» на возможно больший объем. Этой тенденции мешает то обстоятельство, что силовые линии поля как бы «привязаны» к газовым волокнам туманности, которые поэтому удерживают поле и движущиеся в нем релятивистские частицы от неограниченного и притом довольно быстрого расширения. Но тем самым мы с неизбежностью приходим к выводу, что на систему газовых волокон должна непрерывно действовать сила давления магнитного поля и находящихся там релятивистских частиц. Эта сила и должна привести к ускоренному движению волокон туманности, что и наблюдается (см. выше). Величину этого ускорения можно получить из несовпадения возраста Крабовидной туманности (930 лет) и полученного из расширения волокон момента времени, когда вся туманность была как бы в точке, что должно было быть (считая скорость расширений постоянной) около 800 лет назад. Отсюда величина ускорения получается равной g = 0,0016 см/с². Зная величину силы давления магнитного поля и релятивистских частиц и сообщаемой этой силой ускорение, можно по простой формуле механики найти массу волокон Крабовидной туманности M:

(17.3)

где R — характерный линейный размер туманности (около одного парсека), а давление космических лучей P_p близко к H²/8, причем H следует брать на периферии туманности. Можно оценить, что там H 3 10^-4 Э. Отсюда следует, что масса волокон M 5 10³² г или 0,25 массы Солнца. Эта оценка включает в себя и массу слабых волокон, которые не наблюдаются. Полученная оценка массы достаточно близка к «лобовой» оценке, основанной на плотности газовых волокон в туманности и их суммарном объеме[ 41 ].

Как подчеркивалось выше, для обеспечения оптического, а тем более рентгеновского излучения Крабовидной туманности в течение столетий необходимо непрерывное «впрыскивание» новых порций релятивистских электронов. Естественно было предположить, что, кроме таких электронов, в туманность должны «впрыскиваться» и релятивистские тяжелые ядра — протоны, альфа-частицы и пр., короче говоря, космические лучи. В отличие от электронов, тяжелые релятивистские частицы не будут терять энергию на синхротронное излучение. Если бы их поступало в туманность не меньше, чем релятивистских электронов, их бы накопилось там столько, что давление на газовые волокна было бы весьма значительным, и, следовательно, ускорение этих волокон должно было быть гораздо больше наблюдаемого. Отсюда можно сделать вывод, что источник пополнения Крабовидной туманности релятивистскими частицами поставляет в нее преимущественно электроны и позитроны. Как впоследствии выяснилось, это связано с наличием в центре Краба весьма активного пульсара (см. ниже).

Другие остатки исторических сверхновых, вспыхнувших в Галактике в 1006, 1181, 1572 и 1604 гг., не дают такое количество информации, как Крабовидная туманность. Это нельзя объяснить только тем, что они более удалены от нас. Просто Крабовидная туманность оказалась гораздо более «богатым» и более интересным объектом. Все же мы кратко остановимся на описании остатков вспышек этих сверхновых.

Нет определенных указаний на существование оптически наблюдаемых остатков вспышки Сверхновой 1006 г. Однако на месте вспышки, в южном созвездии Волка, обнаружен довольно слабый протяженный радиоисточник[ 42 ]. Угловые размеры этого источника довольно велики: 25, или в пять раз больше, чем у Крабовидной туманности. Если принять, что Сверхновая 1006 г. имела видимую звездную величину -7,5 (на что указывают старинные арабские и китайские хроники), то, с учетом межзвездного поглощения света, расстояние до вспыхнувшей звезды было около 1000 пс. При таком расстоянии линейный радиус остатка должен быть около 3,5 пс. Зная возраст остатка ( 1000 лет), можно определить среднюю скорость расширяющейся оболочки, которая близка к 4000 км/с. Это гораздо больше, чем у Крабовидной туманности, и соответствует скорости выброса газов у сверхновых I типа, получаемых из ширин линий излучения в их спектрах (см. § 15). Следует иметь в виду, что Сверхновая 1006 г. вспыхнула довольно «высоко» над галактической плоскостью, где плотность межзвездного газа должна быть совершенно незначительна. Недавно с помощью «ультрафиолетового» спутника IUE (см. «Введение») в спектре горячей звезды, на которую проектируется остаток сверхновой 1006 г., были обнаружены широкие насыщенные линии поглощения ионизованного железа. Отсюда следует, что количество железа в этом остатке очень велико. Этот результат имеет исключительное значение для понимания природы сверхновых I типа (см. ниже). Этими скудными сведениями пока исчерпываются наши знания об остатках вспышки Сверхновой 1006 г. На месте Сверхновой 1181 г., наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами в созвездии Кассиопеи, находится довольно яркий (следовательно, молодой) радиоисточник 3C 58. Он, так же как и Краб, лишен оболочечной структуры. В оптическом спектре этого источника наблюдаются слабые линии излучения. Из анализа этих линий следует, что радиоисточник 3С 58 расширяется со скоростью 1000 км/с, а расстояние до него 2500 пс.

Гораздо больше мы знаем об остатках вспышки «звезды Тихо» — Сверхновой 1572 г. На месте вспышки этой Сверхновой наблюдаются очень слабые тонковолокнистые «кусочки» туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени порядка 10 лет, показывают некоторые изменения в относительной яркости волокон. Вместе с тем спектральные наблюдения не обнаружили значительных лучевых скоростей. Еще в 1952 г. на месте вспышки был найден источник радиоизлучения. Дальнейшие наблюдения позволили найти его структуру, которая весьма примечательна. В радиолучах этот источник представляет собой яркое, очень тонкое кольцо, диаметр которого 7, а толщина меньше одной сотой радиуса. Расстояние до Сверхновой 1572 г. оценивается (довольно неуверенно) в 5000 пс. Это расстояние, с учетом межзвездного поглощения света, дает для абсолютной звездной величины Сверхновой 1572 г. значение около -18^m, что близко к абсолютной величине сверхновой I типа. На месте Сверхновой 1572 г. обнаружен рентгеновский источник, о котором речь будет идти в § 20.

На месте Сверхновой Кеплера, вспыхнувшей в 1604 г., наблюдается своеобразная, похожая на веер оптическая туманность с яркими конденсациями. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 20 лет, указывают на медленное движение ярких деталей этой туманности со скоростью 0,03 секунды дуги в год. Так как расстояние до туманности, полученное таким же образом, как и для Кассиопеи А и Сверхновой 1572 г., около 10 000 пс, то линейная скорость в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения, составляет около 1400 км/с, в то время как полученная из спектральных наблюдений лучевая скорость составляет 230 км/с.

На месте Сверхновой 1604 г. уже давно обнаружен довольно яркий источник радиоизлучения с угловым диаметром, около 3, что при расстоянии в 10 000 пс соответствует радиусу около 5 пс. При таком радиусе средняя скорость оболочки составляет около 12 000 км/с — величина примерно такая же, как у Сверхновой 1572 г.

Примечательно, что эта сверхновая вспыхнула на очень большом (около 1500 пс) расстоянии от галактической плоскости, где плотность межзвездного газа весьма мала. Как же тогда объяснить сравнительно низкую скорость разлета волокон газа в этой туманности? Ведь межзвездная среда их затормозить не может. Решение этой трудной проблемы, возможно, связано с предположением, что вокруг взорвавшейся звезды уже была туманность, образовавшаяся из вещества, вытекающего из звезды. Вряд ли, однако, масса этой туманности могла быть слишком большой — ведь взорвалась старая звезда с массой, лишь немного превосходящей солнечную.

В заключение нужно подчеркнуть, что мы слишком мало еще знаем о природе остатков Сверхновых 1006, 1181, 1572, 1604 гг. Похоже, однако, на то, что Сверхновая 1054 г. резко отличалась от них малой скоростью выброшенной оболочки и сравнительно большой ее массой. Это и определило в конечном итоге все своеобразие явлений, которые наблюдаются в Крабовидной туманности. Спецификой Сверхновых 1006, 1572 и 1604 гг. является то, что плотность межзвездной среды вокруг них очень мала. Поэтому их оболочки, почти не испытывая торможения, расширились до значений радиуса 5 пс, что привело к быстрому уменьшению радиосветимости. Через несколько тысяч лет они расширятся настолько, что их поверхностная радиояркость упадет до ненаблюдаемого значения. Наоборот, объекты, о которых речь шла в § 16 (например, IС 443), вспыхнули в сравнительно плотной межзвездной среде, которая, «предохранив» остатки взрыва от слишком быстрого расширения, как бы «законсервировала» их и обеспечила продолжительность жизни в несколько десятков тысяч лет.

До сих пор мы рассматривали только последствия вспышек сверхновых звезд. Взрывы звезд приводят к образованию в высшей степени интересных, отличающихся большим своеобразием туманностей. Эти туманности буквально «начинены» релятивистскими частицами, т. е., проще говоря,— первичными космическими лучами. Последние должны образовываться каким-то образом на самых сравнительно ранних этапах возникновения туманностей — остатков взрыва. Кроме того, как это было показано на примере Крабовидной туманности, «звездный остаток» взрыва продолжает в некоторых случаях мощную генерацию космических лучей, непрерывно «питая» образовавшуюся после взрыва туманность. Пока еще не совсем ясно, в какой степени это явление оказывается универсальным свойством «звездных остатков», хотя имеются достаточно серьезные основания связать его только со сверхновыми II типа.

Взрывы звезд имеют важное значение для физики и динамики межзвездной среды. Это огромное возмущение распространяется вначале с очень большой скоростью, которая постепенно уменьшается. Зона взрыва за несколько десятков тысяч лет распространяется на гигантскую область межзвездной среды, размеры которой исчисляются десятками парсек. В этой зоне физические условия резко отличаются от «невозмущенных». В ней существует весьма горячая плазма, нагретая до температуры в несколько миллионов кельвинов. Плотность космических лучей и напряженность магнитного поля в области, охваченной таким большим возмущением, значительно больше среднего значения, рассеиваясь в окружающей межзвездной среде, такое возмущение «обогащает» ее космическими лучами и вносит изменение в химический состав межзвездного газа.

Мы уже видели в § 16, что химический состав быстро движущихся волокон Кассиопеи А резко отличается от «обычного». Уже один этот наблюдательный факт говорит о том, что взрыв звезды является как бы «плавильным тиглем», в котором осуществляется «варка» сложных ядер. Следовательно, взрывы сверхновых звезд, выражаясь языком металлургов, осуществляют процесс «флотации» (обогащения) межзвездной среды тяжелыми ядрами.

Излишне подчеркивать, к каким необозримой важности последствиям приводит этот неуклонно действующий процесс. Ведь в «юности», еще до того как образовались галактики и звезды, Вселенная представляла собой довольно простую водородно-гелиевую плазму, возможно, с небольшой примесью дейтерия. Тяжелых ядер тогда еще не было. Это нашло свое отражение в химическом составе старейшего поколения звезд — субкарликов (см. § 12). В этой связи следует заметить, что основное обогащение межзвездной среды тяжелыми элементами произошло на самых ранних стадиях образования галактик. Тогда образовалось одновременно с нынешними субкарликами большое количество массивных и сверхмассивных звезд первого поколения, которые после десятка миллионов лет эволюции взрывались как сверхновые. Частота вспышек последних была в десятки раз больше, чем сейчас. По этой причине процесс обогащения межзвездной среды тяжелыми элементами в основном закончился довольно быстро, за «какие-нибудь» несколько сотен миллионов лет самой ранней истории нашей Галактики (а также, конечно, и других галактик)[ 43 ].

Естественно спросить, а откуда известны эти важные детали «химической истории» нашей звездной системы? Оказывается, что эта летопись записана в метеоритах и земной коре. Тонкий химический анализ позволяет найти отношение концентраций радиоактивных изотопов ²³⁸U (уран-238), ²⁴⁴Рl (плутоний-244), ²³⁵Th (торий-235), а также двух изотопов йода — ¹²⁷I и ¹²⁹I. Так как периоды полураспада у ядер этих изотопов достаточно хорошо известны, то по измеренной относительной концентрации можно получить возрасты ядер. В частности, из измеренного отношения концентрации [Pl]/[U] в образцах метеоритов следует, что эти сверхтяжелые ядра образовались 8,5—10 миллиардов лет назад, причем они образовались за сравнительно короткое время.

Очень интересные результаты получаются из анализа концентрации изотопов йода и находящегося в метеоритах тяжелого инертного газа ксенона, являющегося стабильным продуктом распада радиоактивного изотопа ¹²⁷I. Этот анализ показывает, что возраст изотопов йода значительно (примерно вдвое) меньше возраста изотопов урана, плутония и тория. В противном случае сравнительно короткоживущий изотоп ¹²⁷I не сохранился бы. С другой стороны, из анализа содержания ксенона в образцах метеоритов следует, что уже через 180 миллионов лет после своего образования изотопы йода вошли в состав кристаллического вещества метеоритов. Так как не подлежит сомнению, что метеориты образовались одновременно с Солнечной системой (около 5 миллиардов лет назад), то можно сделать вывод, что вещество, из которого образовалась эта система, было обогащено незадолго до этого вспыхнувшей сверхновой. Заметим еще, что недавно обнаруженные различия в химическом составе у облаков межзвездной среды (см. § 2) естественно объясняются влиянием вспышек сверхновых.

После нашего небольшого экскурса в увлекательную область химической истории Галактики мы возвращаемся к основному вопросу о причинах взрывов звезд, наблюдаемых как феномен сверхновых. Изучение остатков таких вспышек открывает возможность оценить некоторые важные параметры взрывов, без знания которых научное рассмотрение этой проблемы было бы невозможно. К числу таких параметров относятся масса выброшенной при взрыве оболочки, кинетическая энергия этой оболочки и ее химический состав, наличие огромного количества релятивистских частиц в остатках взрыва и их энергетический спектр. Кроме того, исследования вспышек сверхновых в других галактиках методами современной астрономии (в частности, спектроскопии) позволяют определить полное количество излученной энергии, этой важнейшей характеристики взрыва. Эти же наблюдения дают возможность определить первоначальную скорость выброшенных при взрыве газов, что позволяет оценить «удельную энергию» взрыва, т. е. количество энергии, приходящееся на грамм вещества.

Прежде всего следует подчеркнуть, что настоящей теорией взрыва звезд современная наука пока еще не располагает. Эта проблема, как и можно было ожидать, оказалась очень трудной. Все же положение не следует признавать таким уж безнадежно плохим. Ряд узловых вопросов будущей теории уже в определенной степени разработан, а главное,— поняты, правда, в довольно общей форме, те физические условия в эволюционирующей звезде, которые, закономерно меняясь, должны с неизбежностью привести к космической катастрофе.

Переходя к существующим теоретическим представлениям, касающимся причины взрыва звезд, прежде всего остановимся на возможных источниках энергии. Естественнее всего считать, что таким источником является ядерная энергия.

Мы уже довольно подробно рассматривали этот источник для объяснения «спокойного» излучения звезд во время их пребывания на главной последовательности (см. § 8). Там же подчеркивалось, что после «исчерпания» водородного ядерного горючего в центральных областях звезды характер ее эволюции значительно усложняется. Равновесное состояние звезды на конечной стадии ее эволюции зависит от первоначальной массы, которая предполагается неизменной на протяжении всей эволюции. Последнее предположение, однако, как мы уже раньше видели в § 13, заведомо не выполняется. Например, на стадии красного гиганта у реальных звезд наружные слои отделяются, а из внутренних образуется белый карлик.

Тем не менее полезно рассматривать идеализированную модель звезды, которая все время сохраняет свою массу и к тому же не вращается. Можно полагать, что такое упрощенное рассмотрение задачи позволит выявить ряд существенных особенностей заключительной фазы звездной эволюции. Расчеты показывают, что если масса такой «идеализированной» звезды меньше чем 1,2 солнечной, то конечным продуктом эволюции являются белые карлики, о которых речь шла в § 10. Для звезд с массой, большей чем 1,2, но меньшей 2,5 солнечной, конфигурация с вырожденным газом уже не является равновесной. Как это было показано еще в 1938 г. американскими физиками-теоретиками Оппенгеймером и Волковым, такая звезда после исчерпания запасов ядерного горючего должна катастрофически сжаться и превратиться в сверхплотный объект размерами около 10 км — в нейтронную звезду. Мы уже упоминали об этом в § 10. Необходимо, однако, подчеркнуть, что звезды с массой, превышающей некоторый предел, близкий к 2,5 солнечной массы, в конечном итоге должны катастрофически сжаться в точку (так называемые «черные дыры», о которых подробно будет рассказано в § 24).

Таким образом, в зависимости от первоначальной массы идеализированной модели звезды теория предсказывает три типа конечного состояния «мертвых» (т. е. исчерпавших свою энергию) звезд:

1. белые карлики,

2. нейтронные звезды,

3. черные дыры.

Первые известны астрономам вот уже свыше 70 лет. Нейтронные звезды после долгих безуспешных попыток были открыты только в 1967 г. Наконец, есть некоторые основания полагать, что несколько известных объектов отождествляются с «черными дырами» (см. § 24). Таким образом, мы видим, что хотя «идеализированная» модель звезды и является крайне упрощенной, существование всех трех разновидностей «мертвых» звезд она предсказала правильно. Первоначальная теория, однако, не указывала на конкретные пути образования «мертвых» звезд.

По всем данным вспышки сверхновых связаны с конечным этапом звездной эволюции. Это видно хотя бы из весьма своеобразного химического состава волокон Кассиопеи А. Из сказанного следует, что можно ожидать «генетическую» связь между вспышками сверхновых и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Последнее обстоятельство «подозревалось» давно, но только около 15 лет назад были получены прямые наблюдательные данные: в остатках сверхновых обнаружены нейтронные звезды.

Естественнее всего считать, что огромное количество энергии, освобождаемое при вспышках сверхновых, имеет ядерное происхождение. Однако далеко не всякое ядерное горючее может быть, хотя бы в принципе, ответственно за взрыв звезды. Прежде всего это относится к водороду — основному ядерному горючему, поддерживающему путем соответствующих термоядерных реакций «спокойное» излучение звезд на главной последовательности. Дело в том, что хотя выделение энергии при полном превращении водорода в гелий и очень велико (6 10¹⁸ эрг/г), оно происходит достаточно медленно. Поэтому взрыва (т. е. очень быстрого освобождения большого количества энергии) в этом случае произойти не может.

Медленность термоядерных реакций на ядрах водорода объясняется тем, что цепь таких реакций (см. § 8) в качестве необходимых звеньев содержит процесс -распада. Последние же протекают весьма медленно и их нельзя никаким образом «ускорить»: ведь это же «спонтанные», т. е. самопроизвольные процессы. Например, даже при самой высокой температуре реакция превращения водорода в дейтерий:

происходит из-за -распада очень медленно. Однако при высоких температурах благодаря уже рассматривавшейся в § 8 реакции 3⁴He ¹²С и последующих реакций ядер углерода с ядрами гелия (альфа-частицами) вида

может возникнуть очень большое количество легких ядер углерода, кислорода и неона. Ядра этих легких элементов могут уже при температуре около ста миллионов кельвинов вступить в реакции с протонами, сопровождаемые значительным, а главное, быстрым выделением энергии, так как такие реакции не сопровождаются -распадом. Однако этим способом каждое ядро легкого элемента может последовательно присоединить к себе не более трех-четырех протонов, что обеспечит выход энергии около 10—20 МэВ на одно ядро. Для более тяжелых ядер, получаемых путем последовательного присоединения протонов, наличие -распада сильно замедляет реакцию, отчего она потеряет свой «взрывной» характер. Все же даже 3—4 последовательных присоединения протонов дают неплохую «взрывчатку». Весь вопрос, однако, заключается в том, хватает ли у звезды нужного количества ядер легких элементов, чтобы при их взрыве (как это может случиться, мы пока не обсуждаем) выделилось нужное количество энергии.

Если химический состав звезды, которая должна взорваться, такой же, как у Солнца, то в каждом грамме ее вещества содержится примерно 5 10²⁰ легких ядер. Если каким-то образом взрывная реакция на легких ядрах описанного выше вида произойдет, то удельный выход энергии будет 10¹⁶ эрг/г. Это мало! Ведь в случае сверхновых II типа удельный выход энергии по крайней мере в 10 раз больше. Если мы на минутку вообразим себе, что наше Солнце взорвалось бы вследствие такой реакции, то выделилась бы энергия 10⁴⁹ эрг, а это все-таки в десять раз меньше, чем выделяется энергии при вспышках сверхновых I типа. Если предположить, что по какой-то неизвестной причине недра Солнца нагрелись бы до температуры в сто миллионов кельвинов, то скорее всего последовал бы взрыв. Однако скорость разлета газов не превышала бы, скажем, 500 км/с, а это по крайней мере в десять раз меньше, чем наблюдаемая скорость разлета при вспышке сверхновых (см. § 15).

Если мы хотим объяснить катастрофическое выделение энергии при вспышке сверхновой ядерными реакциями (а такие взрывные реакции могут происходить только с ядрами легких элементов), то необходимо предположить, что химический состав недр взорвавшейся звезды должен быть резко отличен от солнечного. Это различие должно выражаться в несравненно большем обилии легких элементов (азот, кислород, углерод, неон) по отношению к водороду, чем на Солнце. Например, если на Солнце на каждую тысячу атомов водорода приходится только один атом какого-нибудь из этих элементов, то у звезды, которая должна взорваться, количество легких атомов должно составлять уже 2—3% от количества атомов водорода. Но эта звезда когда-то образовалась из межзвездной среды, химический состав которой почти такой же, как у солнечной атмосферы. Это означает, что в процессе эволюции химический состав звезды, которая должна взорваться, подвергся благодаря разного рода ядерным реакциям весьма значительному изменению. Это изменение как бы «подготовило» звезду для взрыва, образовав там потенциальный «пороховой погреб», наполненный взрывоопасным ядерным горючим.

При очень высоких температурах, которые неизбежно должны возникнуть, когда пойдут реакции на легких ядрах (речь идет о температуре порядка миллиарда кельвинов), вещество начнет обладать взрывной неустойчивостью по причине очень быстро протекающих реакций типа

и аналогичных реакций для ¹⁶О, ²⁰Ne и других легких элементов. Характерное время для таких реакций около 1 с, а удельный выход энергии достигает 5 10¹⁷ эрг/г. Если бы, например, взорвалась масса такого вещества, равная 0,1 массы Солнца, то выделилось бы 10⁵⁰ эрг энергии, что уже близко к энерговыделению во время вспышек сверхновых I типа.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что потенциально возможным ядерным горючим, ответственным за взрывы звезд, может быть только вещество, в высокой степени обогащенное легкими элементами. Обычная космическая «микстура» с химическим составом, подобным солнечному, не может ни при каких обстоятельствах привести к ядерному взрыву звезды. Пока, однако, совершенно открытым остается вопрос, каким же образом реализуется «подготовка» условий, необходимых для ядерного взрыва.

Наконец, остается возможность, что главным источником взрыва звезд является освобождение не ядерной энергии, а гравитационной при катастрофическом сжатии. Скорее всего, имеют значение оба вида энергии, хотя, как мы уже говорили выше, вся картина взрыва звезды еще далека от ясности. Тем не менее мы все же остановимся на некоторых теоретических разработках, которые, несомненно, будут полезны при создании в будущем (может быть, недалеком) теории взрыва звезд.

Английские теоретики Хойл и Фаулер рассмотрели интересную модель звезды накануне ее взрыва («предсверхновая»). Они ограничились вначале случаем сравнительно массивной звезды, M = 30 солнечных масс, причем за время эволюции перемешивания вещества не было. У таких звезд вещество в центральной части невырожденно, так как плотность там сравнительно невелика (см. § 12).

Можно полагать, что эти расчеты имеют отношение к проблеме вспышек сверхновых II типа. На заключительной фазе эволюции температура вещества в центральных областях такой звезды (вернее, модели звезды) очень велика, порядка нескольких миллиардов кельвинов. При такой температуре весь водород и гелий уже выгорели. Ядерные реакции идут очень быстро. Равновесное состояние вещества характеризуется преобладанием ядер элементов группы железа, имеющих минимальное значение «коэффициента упаковки». Ядро такой звезды окружено «мантией», температура которой значительно ниже, например, меньше миллиарда кельвинов. Химический состав этой оболочки резко отличен от химического состава ядра. В «мантии» преобладают легкие элементы — кислород, азот, неон, т.е. потенциальное ядерное горючее, необходимое для взрыва звезды. Наконец, «мантия» окружена самой наружной, водородно-гелиевой оболочкой. По расчетам этой модели масса центрального железного ядра составляет 3 солнечные массы, масса кислородной мантии 15, а все остальное приходится на долю довольно разреженной наружной водородно-гелиевой оболочки.

Условия для ядерного взрыва создаются тогда, когда в процессе эволюции железное ядро начнет катастрофически сжиматься (коллапсировать). Характерное время такого сжатия близко к времени свободного падения и составляет около 1 с. При катастрофическом сжатии ядра нарушается механическое равновесие и остальной части звезды, т. е. вес ее выше лежащих слоев уже не уравновешивается давлением газа снизу, и тогда наружные слои звезды начнут падать по направлению к ее центру. Через небольшой промежуток времени (тоже около секунды) кинетическая энергия падающей оболочки превратится в тепловую, что повлечет за собой быстрый ее нагрев. Тем самым создадутся условия для ядерного взрыва находящихся там легких элементов.

Весьма важным, однако, является то обстоятельство, что катастрофическое сжатие ядра звезды должно произойти за время меньшее, чем то, которое нужно для «спокойной» перестройки оболочкой своей структуры без взрыва. В § 6 довольно подробно уже обсуждали этот вопрос в связи с проблемой нарушения механического равновесия звезды, вызванного мгновенным «местным» выделением некоторого количества энергии. Время «спокойной» перестройки структуры звезды определяется скоростью звука, проходящего через нее. Эта скорость — порядка

(ср. § 6). В нашем случае, при размерах «мантии» звезды 3 10⁹ см скорость 3_з 10⁹ см/с, а время прохождения волны сжатия через звезду t_з R/3_з 3 с. Теперь важно понять, что если бы при сжатии ядра стала достаточно быстро расти температура его вещества, то сжатие не происходило бы катастрофически быстро. При этом звезда в каждый момент времени успевала бы «подстроить» свою структуру под изменившиеся условия в ядре и никакого взрыва не произошло бы. Об этом мы довольно подробно рассказывали, когда рассматривалось равновесие звезды (см. § 6).

Катастрофическим сжатие будет только тогда, когда у ядра имеется «холодильник», отбирающий у него выделяющуюся при сжатии тепловую энергию. Заметим, что мощность такого «холодильника» должна быть исключительно высокой, порядка 10¹⁸ эрг/г.

В настоящее время можно указать по крайней мере на два типа таких «холодильников». На первый обратили внимание Хойл и Фаулер. Он сводится к огромному поглощению энергии при диссоциации ядер железа на альфа-частицы и нейтроны. При повышении температуры такой процесс диссоциации неизбежен и будет сопровождаться поглощением огромного количества «скрытой теплоты диссоциации». Из каждого ядра железа получается 13 альфа-частиц и 4 нейтрона. Энергия связи нуклонов в ядре железа равна 8,79 МэВ, в то время как средняя энергия связи одного нуклона в полученной после диссоциации смеси альфа-частиц и нейтронов всего лишь 6,57 МэВ. Следовательно, чтобы разрушить (диссоциировать) железо на альфа-частицы и нейтроны, нужно истратить 2,22 МэВ на нуклон энергии или 2 10¹⁸ эрг/г. Что и говорить, превосходный холодильник! Его «работа» будет состоять в том, что как только при сжатии температура железного ядра поднимется до некоторой величины, ее дальнейший рост «надолго» прекратится, так как выделяющаяся при сжатии гравитационная энергия пойдет на диссоциацию ядер железа. А остановка нагрева сжимающегося ядра как раз и создаст благоприятные условия для детонации «порохового погреба» звезды, так как при этом ядро будет катастрофически сжиматься, а оболочка, не успевая «спокойно» перестроить свою структуру, станет падать к центру звезды, быстро при этом нагреваясь. Из-за этого пойдут взрывные реакции на легких элементах, входящих в состав «мантии».

Такова общая картина взрыва массивной звезды, как она представляется из исследований Хойла и Фаулера. Из этой картины следует, что прежде чем взорваться, звезда должна была уже далеко продвинуться в своей эволюции. Существенно, что при этом радикально изменится химический состав ее недр. В частности, свыше половины массы звезды, представлявшей в начале эволюции водородно-гелиевую смесь, превратилось в легкие элементы. Непосредственной причиной, вызывающей взрыв звезды, является катастрофическое сжатие ее железного ядра в присутствии такого «холодильника», каким является скрытая теплота диссоциации железа на гелий и нейтроны. По-видимому, такой путь эволюции может быть типичным для достаточно массивных звезд. Поэтому описанная выше теория должна соответствовать вспышкам сверхновых II типа. Следует, однако, подчеркнуть, что несмотря на содержащиеся в этой теории ценные идеи, ее еще никак нельзя рассматривать как полное описание процессов, происходящих при вспышках сверхновых II типа. Так, например, эта теория совершенно не учитывает, что если вещество нагреется до температуры в несколько миллиардов кельвинов, там начнут в очень большом количестве образовываться нейтрино и антинейтрино. Эти частицы будут выходить из звезды, унося с собой огромное количество энергии.

Ядерные реакции, приводящие к образованию нейтрино () и антинейтрино (), выглядят следующим образом (так называемый «урка-процесс»):

(18.1)

Уже начиная с температуры T 0,5 10⁹ К нейтринное излучение массивных звезд превосходит их фотонное излучение. По мере повышения температуры сжимающегося ядра мощность нейтринного излучения звезды растет в огромной степени. Особенно оно увеличивается после того как железо в центральных частях звезды окажется диссоциированным, т. е. на более поздней стадии сжатия. Так как после такой диссоциации железный «холодильник» перестанет существовать, начнется новое, довольно быстрое повышение температуры ядра. Когда последняя повысится до 20 миллиардов кельвинов (к тому времени плотность ядра уже будет около 10¹⁰ г/см³), начнется расщепление альфа-частиц и появится значительное количество свободных (т. е. не связанных в ядрах) протонов и нейтронов. Это приведет к резкому увеличению скорости образования нейтрино и антинейтрино (см. формулу (18.1)). Они будут выходить из ядра, унося оттуда огромное количество энергии. Тем самым появится новый, исключительно мощный «холодильник».

Огромная энергия нейтринного излучения черпается из гравитационной энергии сжимающегося ядра. Покидающие звезду нейтрино и антинейтрино имеют энергии около 10 МэВ, что значительно выше, чем энергия солнечных нейтрино (см. §§ 8 и 9). Когда температура сжимающегося ядра достигнет 40 миллиардов кельвинов, а плотность будет 3 10¹¹ г/см³, возникнет новая ситуация: ядро звезды перестанет быть прозрачным для нейтрино. Последние будут поглощаться протонами и нейтронами (реакция (18.1), только читаемая справа налево!). Тем самым новый «холодильник» выключается, резко поднимается температура ядра, а процесс сжатия сильно замедляется. По-видимому, сжатие ядра прекращается совсем, когда его плотность достигает величины 3 10¹³ г/см³, а температура превосходит сто миллиардов кельвинов. Падающая на центр звезды оболочка останавливается, быстро нагревается, и «пороховой погреб» (т. е. легкие элементы в мантии) взрывается. Такова общая картина взрыва массивной звезды с учетом процессов образования нейтрино и антинейтрино в ее горячих, сжимающихся недрах. Заметим еще, что сжимающееся ядро может быстро перестать сжиматься еще по совершенно другой причине. Дело в том, что пока мы еще не учитывали вращения сжимающейся звезды. На основании известного из механики закона сохранения вращательного момента по мере сжатия звезды линейная скорость ее вращения быстро растет. Может возникнуть такая ситуация, что возникающие при этом огромные центробежные силы прекратят сжатие ядра звезды, как бы «застабилизировав» его. Тем самым остановится и сильно нагреется падающая на центр звезды «мантия» и создадутся условия для ядерного взрыва.

Не следует забывать еще, что вся описанная выше сложная физическая картина сжатия звезды, предшествующая ее взрыву, происходит за ничтожно малое время, около одной десятой секунды. За это время катастрофически сжимающаяся звезда излучит огромное количество нейтрино. Расчеты показывают, что полная энергия этих нейтрино достигает значения 10⁵² эрг, т. е. почти в сто раз больше кинетической энергии выброшенной оболочки звезды! Это примерно в тысячу раз больше, чем энергия нейтринного излучения Солнца за все время его эволюции, т. е. за 5 миллиардов лет. По крайней мере 99% освободившейся при катастрофическом сжатии звезды гравитационной энергии переходит в нейтрино и только едва 1% — в те виды энергии, которые наблюдаются астрономами. Заметим, что энергичные нейтрино легче взаимодействуют с веществом, т. е. их легче обнаружить экспериментально. Если бы где-то в Галактике вспыхнула сверхновая II типа на расстоянии нескольких тысяч парсек от нас, и мы знали бы момент вспышки с точностью в несколько сотых секунды, то существующая на Земле приемная аппаратура (типа описанной в § 9) позволила бы эту вспышку зарегистрировать. Это имело бы огромное значение для понимания природы взрыва звезд. Пока, однако, о таком эксперименте мы можем только мечтать.

Спецификой структуры звезд со сравнительно небольшой массой на поздней стадии эволюции является наличие у них весьма плотного вырожденного ядра (см. § 11). В этом случае катастрофическое сжатие центральных областей звезды обусловлено поглощением вырожденных электронов ядрами, которое имеет место при достижении эволюционирующей звездой некоторой, достаточно высокой плотности, большей чем 10¹¹ г/см³[ 44 ]. При этом образуется большое количество нейтронов. Так же как и в случае массивных звезд, не поддерживаемая давлением вырожденных электронов оболочка «обрушится» и начнет падать к центру звезды. Там, где эта оболочка ударится о сжимающееся ядро, произойдет сильный разогрев вещества (до 5 10¹¹ К). По этой причине возникнет мощное нейтринное излучение («урка-процесс»; см. формулу (18.1)), которое поглотится оболочкой. Тем самым оболочка сильно нагреется, и произойдет взрыв из-за ядерных реакций на легких элементах. В этой картине, однако, многое остается не ясным. Например, столь же возможно, что нейтрино образуется во всей толще ядра, которое должно быть достаточно горячим.

Реальная картина взрыва звезд сравнительно малой массы может сильно отличаться от намеченной выше схемы. Так, существенную роль может играть магнитное поле сжимающейся звезды и, особенно, вращение ее ядра. В процессе сжатия магнитное поле может достигнуть очень большого значения, порядка нескольких миллиардов эрстед (о причинах этого см. § 20). При некоторых условиях магнитное поле может переносить освобождающуюся при сжатии гравитационную энергию наружу, в оболочку, что вызовет сильный нагрев и детонацию последней. Вообще, магнитное поле в астрофизике довольно часто играет роль «приводного» ремня для транспортировки значительного количества энергии.

Теория взрыва звезд должна не только указать на причину взрыва в связи с предыдущей эволюцией звезды, не только оценить величину энергии взрыва, но и объяснить кривые блеска сверхновых. Почему, например, так похожи друг на друга кривые блеска сверхновых I типа? И почему столь разнообразны кривые блеска сверхновых II типа? Надо сказать, что эти вопросы для теоретиков оказались очень трудными. Один путь решения этой проблемы сводился к рассмотрению распространения сильной ударной волны, возникшей после детонации «мантии» в протяженной наружной оболочке звезды с уменьшающейся по мере удаления от ее центра плотностью. В таком случае свойства ударной волны определяются энергией взрыва и законом уменьшения плотности в наружной оболочке.

Выход сильной ударной волны на поверхность звезды и наблюдается как явление вспышки сверхновой. По этой причине изучение «кривых блеска» сверхновых позволяет, в принципе, понять характер взрыва и выяснить природу взрывающихся звезд.

Начиная с середины 60-х годов советские теоретики В. С. Имшенник и Д. К. Надежин со своими сотрудниками занимались нелегкими расчетами распространения ударных волн в наружных слоях сверхновых звезд. При этом сам механизм взрыва не конкретизировался — в этом не было нужды. Достаточно было только предположения о «мгновенном» (проще говоря — достаточно быстром) выделении нужного количества энергии в центре взрывающейся звезды, поскольку в случае распространения сильной ударной волны в среде с уменьшающейся наружу плотностью имеет место очень слабая зависимость газодинамических характеристик (давление, поле скоростей и пр.) от особенностей взрыва. Нужно только задать полную энергию взрыва и закон падения плотности в звезде.

Результаты таких расчетов оказались весьма интересными. Прежде всего, стало очевидным, что если взрыв происходит в компактной, достаточно массивной звезде (например, звезде главной последовательности), то кривые блеска качественно отличаются от наблюдаемых. Прежде всего, максимум блеска оказывается очень резким и длится не больше чем 20 минут, в то время как согласно наблюдениям длительность максимума 1—2 суток. Кроме того, максимальный блеск оказывается очень незначительным — в сотни раз меньше наблюдаемого.

Для того чтобы получить кривую блеска, более или менее сходную с наблюдаемой (т. е. существенно увеличить длительность в максимуме и светимость), необходимо предположить, что звезда перед взрывом является гигантом или, лучше, сверхгигантом. Расчеты показывают, что при сильном взрыве радиус звезды почти не увеличивается — происходит только сильный нагрев атмосферы звезды ударной волной. В принципе, вместо красного сверхгиганта с протяженной атмосферой можно принять модель звезды, у которой происходит медленное истечение вещества с ее поверхности, в результате чего вокруг звезды образуется весьма протяженная оболочка, причем ее плотность уменьшается наружу примерно обратно пропорционально квадрату расстояния.

Развитая советскими авторами «гидродинамическая» теория взрыва массивной звезды хорошо согласуется с современной теорией звездной эволюции. Согласно этой теории (см. § 12) фаза красного гиганта или сверхгиганта является неизбежной. Начало этой фазы связано с коренной перестройкой структуры центральных областей звезды, создающей предпосылки для гравитационного коллапса ее ядра. Следовательно, образование весьма протяженной оболочки и способного к коллапсу ядра происходят «в одну эпоху» жизни звезды. Однако совпадение этих явлений вовсе не обязательно должно быть строгим. Возможно и даже весьма вероятно, что сравнительно кратковременная фаза красного гиганта закончится до гравитационного коллапса ядра. В этом случае, после потери наружной, богатой водородом оболочки, образуется довольно компактная «гелиевая» звезда типа Вольфа — Райе. Явление гравитационного коллапса, конечно, не зависит от того, есть ли вокруг звезды протяженная водородная оболочка или нет. Мы приходим к представлению, что почти все массивные звезды типа Вольфа — Райе должны взрываться как сверхновые. Так как длительность фазы Вольфа — Райе у массивных звезд сравнима с длительностью фазы красного гиганта, следует ожидать, что число взрывающихся звезд типа Вольфа — Райе должно быть сравнимо с числом взрывающихся массивных сверхгигантов.

Но, на основании расчетов Имшенника и Надежина, взрывающиеся компактные звезды типа Вольфа — Райе совершенно непохожи ни на какие сверхновые. Они на 5—6 величин слабее (в максимуме) и имеют ненаблюдаемо-узкий максимум на кривой блеска. Мы приходим, таким образом, к представлению о необходимости существования «карликовых сверхновых», открытых на кончике пера советскими теоретиками. Очень похоже, что таким объектом является Кассиопея А, а также Сверхновая 1181 г., светимость которой в максимуме была в сотню раз меньше обычной. Другим важным выводом из расчетов советских авторов является утверждение, что в тесных двойных системах не могут вспыхивать сверхновые II типа, так как перетекание масс в процессе эволюции компонент препятствует образованию протяженной, богатой водородом оболочки.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что основным предположением, сделанным при расчетах распространения ударной волны в наружных слоях звезды, является постулат о мгновенном выделении энергии в ее центральной части. Можно, однако, предложить по крайней мере два механизма постепенного (т. е. достаточно медленного) выделения энергии. Первый механизм связан с образованием в центре коллапсирующей звезды быстро вращающегося намагниченного пульсара. Тормозясь, такой пульсар будет непрерывно выделять энергию в виде жестких фотонов и корпускул. Мощность энерговыделения молодого пульсара более чем достаточна для «накачки» энергии в оболочку пульсара, но конкретные условия работы такой «машины» еще далеко неясны.

Другим механизмом непрерывной накачки энергии в оболочку взорвавшейся звезды является радиоактивность образующихся в процессе коллапса некоторых ядер. Эта гипотеза с очевидной легкостью объясняет экспоненциальный характер кривых блеска сверхновых I типа после максимума: показатель экспоненты определяется периодом полураспада соответствующего «рабочего изотопа»). В качестве последнего Бааде и др. еще в 1956 г. предложили... трансурановый элемент калифорний-254. Ядра этого изотопа спонтанно делятся на осколки с энергией 200 МэВ. Гипотеза эта, единственным обоснованием которой является подходящее значение периода полураспада ²⁵⁴Cf, по ряду причин оказалась совершенно несостоятельной.

На смену ²⁵⁴Cf пришли другие «рабочие вещества». В последние годы в качестве такого вещества теоретики используют радиоактивный изотоп никеля-56, дающий начало цепи -радиоактивных превращений:

Период полураспада ⁵⁶Ni составляет 6,1 суток, в то время как у ⁵⁶Co он равен 77 суткам. В процессе этих распадов основная часть энергии выделяется в виде -квантов с энергией 1 МэВ и только 20% энергии выделяется в виде быстрых позитронов.

Образование в процессе коллапса плотного ядра, почти целиком состоящего из столь «экзотической» субстанции, как радиоактивный ⁵⁶Ni, представляется вполне возможным и даже закономерным. Можно показать, что для обеспечения энергетики взрыва масса такого ядра должна быть 0,5M. Теоретические расчеты кривых блеска в случае «медленного» выделения энергии, выполненные советскими авторами, доказывают, что такой взрыв в ядре «компактной звезды» (даже белого карлика) вполне может объяснить явление вспышки сверхновой I типа.

Очень серьезным наблюдательным подтверждением справедливости гипотезы «радиоактивного никеля» является обнаружение в «послемаксимальном» спектре сверхновой 1972-е многочисленных эмиссионных линий железа. Решающим аргументом является недавнее обнаружение резонансных ультрафиолетовых линий поглощения в спектре горячей звезды, на которую проектируется остаток вспышки Сверхновой 1006 г.

Из того факта, что сверхновые II типа наблюдаются преимущественно в спиральных рукавах, следует вывод, что первоначальная масса этих взрывающихся звезд должна быть больше 7M. Напротив, сверхновые I типа, как уже отмечалось в § 15, наблюдаются во всех галактиках, в частности эллиптических, а в спиральных галактиках к рукавам спиральной структуры отнюдь не концентрируются. Из последнего обстоятельства следует вывод, что их массы должны быть меньше 7M.

Как уже говорилось раньше, в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Вспышки сверхновых в таких галактиках нелегко объяснить, так как процесс звездообразования там давно закончился. В Е-галактиках в современную эпоху должны быть только звезды с массой, меньшей солнечной, а такие звезды вспыхивать не могут. Тем не менее они вспыхивают. Шацман предложил изящную гипотезу, согласно которой вспышки в этих галактиках происходят в тесных двойных системах, одной из компонент которых является белый карлик. Когда в процессе эволюции вторая компонента начнет разбухать, газ станет из нее перетекать на белый карлик, совсем как в случае обычных новых звезд (см. § 14). После того как масса белого карлика превысит чандрасекаровский предел, произойдет взрыв.

С другой стороны, из наблюдений следует, что вспышки сверхновых I типа в спиральных и неправильных галактиках связаны с процессом звездообразования. Отсюда следует, что массы вспыхивающих звезд должны лежать в пределах 3—7 M. Таким образом, с одной стороны, взрываются белые карлики, массы которых равны чандрасекаровскому пределу (в Е-галактиках), а с другой — сравнительно массивные звезды (в спиральных и неправильных галактиках), причем спектры и кривые блеска в обоих случаях совершенно одинаковы! По мнению автора этой книги, парадокс этот разрешается следующим образом. Если в процессе эволюции звезды в ней образовалось ядро, масса которого с точностью 1% равна чандрасекаровскому пределу, M_Ch, после отделения наружной оболочки оно взорвется как сверхновая I типа. Если же массы ядер больше M_Ch, то будет иметь место взрыв сверхновой II типа. Наконец, если масса ядра меньше M_Ch никакого взрыва сверхновой не будет и образуется белый карлик. Таким образом, открывается возможность понять явления вспышек сверхновых разных типов с единой точки зрения.

Как уже говорилось во второй части этой книги, заключительная фаза эволюции звезды, наступающая после того, как будут в значительной степени исчерпаны ресурсы ее ядерного водородного горючего, существенно зависит от массы звезды. Мы подчеркиваем оговорку «существенно», так как, кроме первоначальной массы, на эволюцию звезды может влиять скорость и характер ее вращения, степень намагниченности, принадлежность звезды к тесной двойной системе (см. § 14) и, возможно, другие факторы. Все же роль первоначальной массы является решающей. В идеальном случае, когда рассматривается модель невращающейся, лишенной магнитного поля изолированной звезды, теория предсказывает три «исхода» жизни звезды в зависимости от ее первоначальной массы (см. часть II):

1. Если первоначальная масса ядра звезды меньше, чем (приблизительно) 1,2M, то она после сравнительно кратковременной стадии красного гиганта превращается в белый карлик, который после остывания, через несколько миллиардов лет, становится холодным «черным карликом», т. е., образно выражаясь, мертвым космическим телом, «трупом» звезды. Об этом подробно рассказано в § 13.

2. Если первоначальная масса ядра звезды превосходила 1,2M, но была меньше 2,4M, то после исчерпания существенной части ядерного горючего произойдет катастрофа. Внутренние слои звезды под влиянием силы тяготения, которой уже не может противодействовать газовое давление, обрушатся к центру звезды. Почти одновременно с этим наружные слои звезды в результате взрыва будут выброшены с огромной скоростью порядка 10000 км/с. Это явление будет наблюдаться как вспышка сверхновой (см. часть III). Падая со скоростью свободного падения, за какие-нибудь несколько секунд внутренние слои звезды сожмутся в сотню тысяч раз. При этом объем звезды уменьшится в 10¹⁵ раз, ее средняя плотность во столько же раз увеличится и превзойдет ядерную, а линейные размеры станут всего лишь порядка 10 км. Достигнув таких размеров и такой плотности, звезда застабилизируется и ее дальнейшее сжатие практически прекратится. Опять образуется равновесная конфигурация, но уже в условиях, качественно отличных от равновесия «обычной» звезды. Физические свойства такого сверхплотного вещества, давление которого уравновешивает силу гравитационного притяжения «сколлапсировавшей» звезды, весьма необычны. Во многом они сходны со свойствами вещества атомного ядра, представляющего собой смесь сильно взаимодействующих протонов и нейтронов. Такой объект подобен макроскопической «ядерной капле». Отличие этого агрегата от ядерного вещества состоит главным образом в том, что для сколлапсировавшей звезды по причине ее большой массы фундаментальное значение имеет гравитационное взаимодействие ее элементов, между тем как для ничтожных по своей массе ядер гравитация несущественна. Вполне понятно, почему звезду, образовавшуюся в результате гравитационного коллапса, теоретики уже давно, еще в тридцатых годах нашего столетия, назвали «нейтронной».

Итак, взрывы сверхновых звезд сопровождаются образованием нейтронных звезд — качественно нового типа космических объектов, существование которых было давно предсказано теоретиками.

3. В случае, если масса ядра сколлапсировавшей звезды превосходит некоторый критический предел (около 2,5—3 M), ее неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем нельзя остановить. При этом нейтронная звезда как стабильное образование возникнуть не может. Ничем не компенсируемая сила гравитации будет сколь угодно сильно сжимать вещество коллапсирующей звезды, размеры которой будут становиться сколь угодно малыми. Звезда будет сжиматься в точку, но... Но здесь выступают на первый план парадоксальные закономерности общей теории относительности. Из-за огромного значения гравитационного потенциала эффекты общей теории относительности, которые в «нормальных» космических условиях совершенно ничтожны по величине, здесь становятся решающими. Связанная с такой ситуацией увлекательнейшая проблема черных дыр, являющаяся сейчас едва ли не центральной проблемой астрономии, будет рассматриваться в § 24. А здесь мы подробно рассмотрим не менее интересную проблему нейтронных звезд.

Из трех видов «продуктов» заключительного этапа эволюции звезд (белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры) первыми были обнаружены астрономическими наблюдениями белые карлики (см. часть II). Важно еще раз подчеркнуть, что в этом случае практика намного опередила теорию. Белые карлики были, так сказать, «эмпирически» открыты до того, как астрономы поняли, что такое звезда и почему она светит. К понятию «вырожденный газ» физики пришли значительно позже того как были открыты белые карлики. Конечно, ничего удивительного в этом нет — ведь в любом куске металла, известного человечеству еще со времен бронзового века, как оказалось, электроны находятся в вырожденном состоянии. Видеть и изучать это еще не значит понять, да и уровни понимания могут быть разные. Все же факт остается фактом: белые карлики были сначала увидены, а затем поняты.

Совсем по-другому сложилась ситуация с нейтронными звездами. Они были открыты теоретиками «на кончике пера» за треть столетия до того, как их реально обнаружили астрономы. А в XX веке треть столетия — это очень большой срок! Причина такого запоздания в открытии нейтронных звезд вполне понятна: их, как это сразу же стало ясно, очень трудно обнаружить астрономическими наблюдениями. Если размер космического тела всего лишь 10 км, то даже при расстоянии до него, равном расстоянию до ближайших звезд ( 10 световых лет), его нельзя обнаружить, пользуясь самыми мощными телескопами. В самом деле, если температура поверхности такого тела (моделирующего нейтронную звезду) такая же, как на поверхности Солнца, т. е. 6000 К, то абсолютная звездная величина его 30^m, а видимая звездная величина будет всего лишь 27^m. Между тем предельная звездная величина слабейших астрономических объектов, доступных крупнейшим современным оптическим телескопам, составляет около 24^m. Если поверхность нейтронной звезды будет так же горяча, как у самых горячих из известных оптической астрономии звезд ( 100 000 К), то она все равно не сможет быть обнаружена. И это даже тогда, когда предполагаемое расстояние до нейтронной звезды так неправдоподобно мало! В действительности расстояния до ближайших нейтронных звезд, скорее всего, порядка нескольких десятков световых лет. Отсюда ясно, что все попытки обнаружить нейтронные звезды оптическими методами должны были быть обречены на неудачу.

Начиная с 1964 г., однако, ситуация с возможностью наблюдений нейтронных звезд, казалось бы, резко изменилась. Возникновение рентгеновской астрономии ознаменовало собой новый этап в многолетних поисках возможностей обнаружить нейтронные звезды и тем самым доказать реальность их существования. Подробно об успехах рентгеновской астрономии будет рассказано в § 23. Здесь мы только заметим, что уже сразу же после открытия первых космических источников рентгеновского излучения возникло подозрение, что это и есть долгожданные нейтронные звезды. На первый взгляд, для такого предположения были вполне достаточные основания. В самом деле, только что образовавшаяся в результате гравитационного коллапса нейтронная звезда должна иметь исключительно высокую температуру, порядка нескольких миллиардов кельвинов (см. § 18). Допустим, для простоты расчетов, что температура поверхности такой звезды равна одному миллиарду кельвинов. Тогда следует ожидать, что такой объект будет излучать как абсолютно черное тело с этой температурой, причем максимум излучения по закону смещения Вина _mT = 0,3 будет соответствовать длине волны _m = 3 10^-10 см = 0,03 Å, а соответствующая энергия квантов излучения h 400 кэВ, т. е. будет приходиться на область очень жестких рентгеновских лучей. Согласно закону Стефана — Больцмана единица поверхности такого объекта (т. е. 1 см²) будет излучать в рентгеновском диапазоне чудовищную мощность T⁴ = F = 10³² эрг/см² с, а вся сверхгорячая нейтронная звезда будет излучать мощность L = 4R²F 10⁴⁵ эрг/с, где R = 10⁶ см — радиус нейтронной звезды.

Величина L непомерно велика: достаточно сказать, что вся наша звездная система — Галактика, состоящая из сотни миллиардов разнообразнейших звезд, излучает во всем спектральном диапазоне только 10⁴⁴ эрг/с. Если бы даже температура T была равна 10⁸ К (это довольно умеренная оценка температуры «новорожденной» нейтронной звезды), то L была бы 10⁴¹ эрг/с, что также представляет собой очень большую величину. Максимум излучения в этом случае приходился бы на рентгеновские кванты с энергией h 40 кэВ. В этом более мягком диапазоне энергий рентгеновских квантов как раз и работает большинство существующих приемников космической рентгеновской радиации. Допустим теперь, что такая горячая нейтронная звезда находится на противоположном краю нашей Галактики, скажем, на расстоянии r 60 000 световых лет, или 6 10²² см. Тогда поток рентгеновского излучения от нее будет F 2,5 10^-7 эрг/см² с, а это в сотню раз больше потока рентгеновского излучения от самого яркого источника Скорпион Х-1 в этом «жестком» диапазоне (см. § 23). Между тем техника современной рентгеновской астрономии позволяет измерять потоки в несколько миллионов раз более слабые.

Казалось бы, все хорошо! Тем более, что и спектр у ряда рентгеновских источников вполне можно было истолковать как спектр нагретого до температуры в несколько десятков миллионов кельвинов «черного» тела. На какой-то миг создалось впечатление, что таинственные нейтронные звезды — гордость теоретической мысли XX века — наконец-то обнаружены. Увы, природа и на этот раз оказалась намного сложнее и богаче, чем примитивные представления о ней, бытовавшие в умах большого количества ученых. Расчеты показали, и при том со всей убедительностью, что первоначально горячие нейтронные звезды остывают катастрофически быстро. Например, при очень высоких температурах вещества действует совершенно специфический механизм охлаждения, связанный с аннигиляцией пар электронов и позитронов и образованием нейтрино и антинейтрино :

(19.1)

При более низких температурах нейтрино будут образовываться при реакциях

(19.2)

Образующиеся в большом количестве нейтрино будут беспрепятственно выходить из нейтронной звезды, унося с собой огромное количество энергии, что приводит к ее быстрому остыванию. Расчеты показывают, что уже спустя примерно месяц после рождения нейтронной звезды температура ее поверхности станет ниже 10⁸ К. На самом деле остывание нейтронной звезды может происходить еще быстрее, потому что вещество нейтронной звезды, по-видимому, находится в сверхтекучем состоянии. Итак, новорожденные нейтронные звезды остывают слишком быстро, чтобы их можно было отождествлять с рентгеновскими источниками[ 45 ].

И опять, подобно сказочной синей птице нейтронные звезды — «живые» нейтронные звезды, а не их бледные математические отражения, рисуемые пером теоретиков,— буквально выскользнули из рук! И вдруг случилось нечто совершенно неожиданное: нейтронные звезды были обнаружены! Обнаружены совсем не там, где их искали и совсем не теми, кто их искал. В феврале 1968 г. на страницах солиднейшего научного журнала «Nature» подобно грому среди ясного неба появилась статья известного английского радиоастронома Хьюиша и его сотрудников, возвестившая об открытии пульсаров. Стоит более подробно рассказать, как было сделано это едва ли не величайшее открытие в астрономии XX века.

Начиная с 1964 г. в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета проводились наблюдения сцинтилляций (т. е. быстрых, неправильных вариаций) потока радиоизлучения от космических источников, возникающих при прохождении этого излучения через неоднородности плазмы внешней короны Солнца и прилегающих к ней областей межпланетной среды. Такие сцинтилляции возникают из-за нерегулярной дифракции радиоволн на указанных неоднородностях. Сцинтилляции могли наблюдаться только тогда, когда угловые размеры источников радиоизлучения были очень малы, меньше 0,5 секунды дуги. Это явление имеет хорошо всем известный оптический аналог: мерцание звезд в атмосфере. Известно также, что планеты не подвержены таким мерцаниям и светят «спокойным» светом, не меняя за короткое время свой блеск. Последнее обстоятельство объясняется тем, что угловые размеры планет довольно велики, порядка десятков секунд дуги, между тем как у звезд они исчезающе малы. Как было сказано выше, аналогичная картина наблюдается и в радиодиапазоне. Радиосцинтилляциям подвержены в первую очередь квазары — весьма удаленные от нас метагалактические объекты, угловые размеры которых достигают тысячных долей секунды дуги. Квазары были открыты за год до этого и занимали тогда умы большого количества астрономов. Хьюиш решил использовать метод сцинтилляции, чтобы иметь возможность выделить квазары среди других наблюдаемых космических источников радиоизлучения. По его проекту для этой цели в Кембридже был изготовлен весьма большой по тем временам радиотелескоп размером в одну милю, работающий на волне 3,7 м. Надо сказать, что хотя этот телескоп и очень большой, но все же довольно грубый, что объясняется большой длиной волны, на которую он был рассчитан. Кроме того, он неподвижен и принимает радиоизлучение от источников тогда, когда они проходят через меридиан. Путем простой перестройки электрической схемы без механического перемещения его элементов радиотелескоп мог направляться на разные зенитные расстояния, что позволяло исследовать источники с разными склонениями. Любопытно, что этот радиотелескоп был сооружен всего за несколько месяцев, причем строили его в основном студенты Кембриджского университета под наблюдением весьма немногочисленных инженеров. Все сооружение обошлось в... 10 000 фунтов стерлингов, что, пожалуй, является мировым рекордом и соответствует лучшим традициям Кавендишской лаборатории, где когда-то трудились и делали свои выдающиеся открытия Фарадей и Резерфорд. Увы, современная наблюдательная астрономия требует неизмеримо больших средств, и история, которую мы сейчас рассказываем, действительно является уникальной...

Величина сцинтилляции растет по мере приближения источника к Солнцу, что, естественно, объясняется увеличением концентрации межпланетной плазмы вблизи Солнца. Наблюдая один источник в разное время года, т. е. при различных угловых расстояниях его от Солнца, можно было заметить значительные изменения величины сцинтилляции его потока. По этой причине сцинтилляции от источников можно было наблюдать только днем, когда угловое расстояние источников от Солнца невелико. Наоборот, ночью никаких заметных сцинтилляций источники не обнаруживали.

Так как сцинтилляции потока происходят очень быстро, для их изучения необходима специальная регистрирующая аппаратура с очень маленькой постоянной времени, во всяком случае меньшей, чем характерное время изменения потока, вызванного сцинтилляцией. Эта аппаратура принципиально отличается от обычно применяемой в радиоастрономии приемной аппаратуры, где, как правило, постоянная времени (или «время накопления» сигнала) достаточно велика, обычно не меньше нескольких секунд, а часто значительно больше. Большие времена накопления диктуются необходимостью «выжать» наибольшую чувствительность, что необходимо для обнаружения предельно слабых (по потоку) источников. Разумеется, такая привычная для радиоастрономов приемная аппаратура не в состоянии обнаружить вариации потока, если они происходят достаточно быстро.

Как же были на этом радиотелескопе открыты пульсары? Аспирантка профессора Хьюиша, 24-летняя Джоселин Белл летом 1967 г. обнаружила какой-то неизвестный источник, который показал сцинтилляцию ночью, что было решительно ни на что не похоже! Повторные наблюдения подтвердили, что этот удивительный источник каждые сутки в положенный момент звездного времени действительно проходит через меридиан, демонстрируя свое космическое происхождение. В ноябре 1967 г., когда постоянная времени приемной аппаратуры была еще уменьшена в несколько раз, было обнаружено поразительное явление: вариации потока от загадочного источника происходят не беспорядочным образом, как это имеет место при обычных сцинтилляциях источников, обусловленных нерегулярной дифракцией радиоволн на неоднородностях межпланетной среды, а строго периодически. Наблюдались очень короткие, длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радиоизлучения, повторяющиеся через строго постоянный период времени порядка одной секунды. При этом амплитуды различных импульсов были различны. К этому времени были обнаружены еще два источника такого же типа. Первые записи их излучения на частоте 81 МГц (соответствующей длине волны 3,7 м) приведены на рис. 19.1.

Было над чем задуматься кембриджским радиоастрономам! Ведь они столкнулись с совершенно необычным явлением. Что можно было в первые недели сказать о природе этих загадочных источников? Прежде всего строгая периодичность радиосигналов невольно наводила на мысль, что последние могут иметь искусственное происхождение. Они могли, в частности, исходить от каких-то далеких искусственных спутников или автоматических межпланетных станций и (страшно даже подумать!) от внеземных цивилизаций. Последняя возможность вполне серьезно обсуждалась в Кембридже и послужила, по-видимому, причиной, что сами авторы этого замечательного открытия решили впредь до выяснения природы таинственных сигналов не публиковать результаты своих исследований. Случай довольно редкий в истории астрономии XX века!

Рис. 19.1: Первые записи излучения трех пульсаров на частоте 81 МГц.

Только после того как со всей очевидностью стало ясно, что эти источники находятся далеко за пределами Солнечной системы (как это было сделано, мы увидим ниже), и, таким образом, представляют собой дотоле неизвестный класс астрономических объектов, английские радиоастрономы опубликовали свое открытие — спустя почти полгода после того, как мисс Белл обнаружила первый загадочный источник. Вновь открытые источники сразу же получили очень удачное название «пульсаров». Название это происходит от английского слова «pulse», что означает «импульс». Пульсары — это такие радиоисточники, излучение которых сосредоточено в отдельных импульсах, повторяющихся через строго определенный промежуток времени.

Открытие пульсаров буквально всколыхнуло астрономию. Автору этой книги трудно забыть лето 1968 г., когда мы все жадно ожидали последних номеров «Nature» где в «экспрессном порядке» публиковались свежие новости с «пульсарного фронта». Прежде всего важно было получить как можно больше фактического материала об этих загадочных объектах. Теоретики же далеко не сразу и далеко не все осмыслили это явление. Удивительная, почти строгая, периодичность импульсов невольно обращала на себя внимание. Прежде всего поражала краткость этих периодов. Так, например, период у первого из открытых пульсаров, получившего название СР 1133[ 46 ], оказался равным 1,337 секунды, что много меньше периодов пульсации или вращения всех известных тогда в астрономии космических объектов. Судя по тому, что каждый из импульсов имел весьма короткую длительность (порядка нескольких сотых секунды времени), можно было предположить, что линейные размеры излучающей области весьма малы, во всяком случае меньше сотой доли световой секунды, т. е. несколько тысяч километров. Так как наблюдаемый период пульсаров плавно менялся в пределах одной десятитысячной своего значения в течение года, сразу же можно было сделать вывод, что пульсары находятся далеко за пределами Солнечной системы. В самом деле, такое плавное изменение периода за год непринужденно объясняется орбитальным движением Земли вокруг Солнца и связанным с этим движением эффектом Доплера, меняющим значение периода в зависимости от положения Земли на своей орбите.

Хотя координаты пульсаров были известны совсем неплохо, на первых порах пульсары нельзя было отождествить ни с одним из известных классов астрономических объектов. Пожалуй, первое удачное отождествление было выполнено летом 1968 г. в Австралии. Находящийся там большой крестообразный радиотелескоп, работающий на метровых волнах, оказался едва ли не лучшим в мире инструментом для поиска новых пульсаров. Достаточно сказать, что почти половина всех известных к 1970 г. пульсаров была открыта на этом радиотелескопе, расположенном в пустые ной местности около селения Молонгло. Из всех открытых с помощью этого радиотелескопа пульсаров, пожалуй, наибольший интерес представляет объект, получивший название PSR 0833—45. Координаты этого пульсара ( = 8^h33^m, = -45°) близки к координатам очень интересной туманности, находящейся в южном созвездии Парусов (Vela). Эта туманность, имеющая угловые размеры около одного градуса, является источником нетеплового радиоизлучения и представляет собой остаток вспышки сверхновой звезды[ 47 ]. Сам пульсар PSR 0833—45 находится в пределах радиотуманности, хотя и не совпадает с ее центром.

Удивительной особенностью этого пульсара является его исключительно короткий период — всего лишь 0,089 секунды! Почти полгода он был «чемпионом» среди всех известных тогда пульсаров, пока в конце 1968 г. он не уступил это «почетное звание» другому, еще более интересному объекту (см. ниже).

Открытие пульсара в радиотуманности — остатке вспышки сверхновой — не произошло случайно. Австралийский радиоастроном Лардж, руководивший на Молонгло работой по поискам новых пульсаров, с самого начала исходил из возможности генетической связи между пульсарами и вспышками сверхновых звезд. Туманность в созвездии Парусов является самым ярким и в то же время достаточно близким остатком вспышки сверхновой на южном небе, поэтому вполне естественно, что внимание исследователей было сконцентрировано на этом интереснейшем объекте.

Идея связи между пульсарами и остатками вспышек сверхновых звезд нашла наиболее эффектное подтверждение в самом конце 1968 г., когда был обнаружен, пожалуй, самый интересный пульсар: в Крабовидной туманности.

Я никогда не забуду своего ощущения, когда узнал об этом открытии... из телефонного разговора с заместителем директора Национальной радиоастрономической обсерватории США доктором Ховардом. Разговор касался деталей моего предстоящего визита в США на эту обсерваторию, и вдруг, без перехода, такая ошеломляющая новость! Я много лет занимался различными проблемами, связанными с Крабовидной туманностью — едва ли не самым замечательным объектом на небе. И вот — пожалуйста: в дополнение ко всем, связанным с этой туманностью «чудесам», там находится пульсар, да еще какой!

Впрочем, какой это пульсар, стало ясно не сразу. Открыли пульсар два молодых радиоастронома Стэйлин и Райфенстайн. Они обнаружили импульсы радиоизлучения, исходящие из области Крабовидной туманности, но период определить было нельзя. Самое удивительное это то, что американские радиоастрономы утверждали, имея на это все основания, что в области Крабовидной туманности обнаружено два пульсара. Вот это уже не лезло ни в какие ворота! Как раз в это время я был в США и, помню, заключил пари с американскими коллегами. Я утверждал, что в Крабовидной туманности может быть только один пульсар, а они, посмеиваясь и указывая на записи импульсов, говорили: два! Ставка была «принципиальная»: один доллар против одного рубля... Еще не кончилась моя трехнедельная командировка в США, как все стало ясно. Американский радиоастроном Комелла на гигантском радиотелескопе в Пуэрто-Рико, диаметр которого 300 м, показал, что его коллеги на Национальной радиоастрономической обсерватории действительно обнаружили два пульсара: один с рекордно коротким периодом 0,033 секунды, а второй — с рекордно длинным: 3,7 секунды. Чуть позже, однако, удалось показать, что коротко-периодический пульсар находится в самом центре Крабовидной туманности, между тем как долгопериодический находится на расстоянии 1°,5 от нее. Напомним, что угловые размеры Крабовидной туманности всего лишь 5 минут дуги. Заметим еще, что самые ранние наблюдения пульсара в Крабовидной туманности имели очень низкое «угловое разрешение», что не дало возможности точно определить координаты вновь обнаруженных пульсаров. Итак, долгопериодический пульсар, хотя сравнительно и близок к Крабовидной туманности, однако генетически с ней не связан (см. ниже). Мне кажется, что я имею серьезные основания считать, что пари выиграно мною, хотя пульсаров оказалось все-таки два. Я не потерял еще надежды получить свой доллар, который, правда, с тех пор успел заметно подешеветь...

Открытие пульсара в Крабовидной туманности с периодом 1/30 секунды в значительной степени помогло понять природу этих объектов. Со времени открытия пульсаров главным вопросом было объяснение их удивительно строгой периодичности. Вскоре стало ясно, что у первых «кембриджских» пульсаров изменение периодов составляет величину меньшую, чем 10^-14 за период! Только лучшие кварцевые часы идут с таким удивительно постоянным ходом.

Каково же происхождение естественного «часового механизма», связанного с пульсарами? Астрономии известны два таких механизма: а) пульсация звезд, б) вращение звезд. Рассмотрим прежде первый механизм. Феномен пульсации звезд известен уже много десятилетий. В наиболее отчетливой форме такие пульсации наблюдаются у цефеид. Существует ряд эмпирических зависимостей, связывающих различные характеристики звезд. Например, зависимость «период — средняя плотность», имеющая вид P ^-1/2, где P — период цефеиды,  — ее средняя плотность. Эта формула непосредственно следует из основной формулы маятника, известной каждому школьнику: P = 2, где P — период маятника, l — его длина, g — ускорение силы тяжести. Применим эту формулу к пульсирующей звезде. В этом случае ускорение силы тяжести g GM/R², l R, где M — масса звезды, R — ее радиус, G — постоянная тяготения. Подставляя значения g и l в формулу маятника, получим

так как очевидно, что средняя плотность звезды

Характерные для цефеид периоды пульсаций измеряются днями. Из приведенной формулы следует, что их средние плотности очень малы, 10^-7 г/см³, т. е. в тысячи раз меньше плотности воздуха. Действительно, цефеиды — это звезды-гиганты высокой светимости с огромными радиусами фотосфер. Сразу становится ясным, что если объяснить «часовой механизм» пульсаров звездными пульсациями, то соответствующие звезды должны быть очень плотными. Из простой формулы P ^-1/2 сразу же следует, что средняя плотность для таких звезд должна быть 10³—10⁴ г/см³. Но мы знаем, что такие средние плотности характерны для белых карликов (см. § 10). Итак, казалось бы, феномен пульсаров можно объяснить пульсациями белых карликов. Увы! Точные теоретические расчеты показали, что период собственных колебаний у белых карликов не может быть меньше нескольких секунд. Между тем в случае пульсара в Крабовидной туманности наблюдаемый период пульсаций 1/30 секунды. Правда, опять-таки при помощи теоретических ухищрений, связанных с далеко идущей ревизией уравнения состояния вещества белых карликов и моделей белых карликов, а также с учетом эффектов общей теории относительности, можно было бы уменьшить предельный период их пульсаций до 3 секунд. Но ведь и эта величина неприемлемо велика. Некоторые теоретики пытались выйти из этого затруднительного положения следующим образом. Известно, что колебания реального тела (в нашем случае — пульсации звезды) происходят не только на «основной» частоте (например, в нашем случае на частоте, определяемой видоизмененной формулой маятника), но и на высших гармониках этой частоты, т. е. на частотах, превосходящих основную частоту в два, в три и вообще в n раз. В частности, в рамках этой гипотезы можно было считать, что феномен пульсаров есть проявление пульсации белых карликов на очень высокой гармонике. При этом потребовалось немало теоретических ухищрений, чтобы «подавить» эффекты, связанные с пульсациями на более низких гармониках. Ведь обычно такие пульсации должны быть гораздо более интенсивными. Все же нелегко было понять, почему какой-нибудь белый карлик колеблется только на пятой гармонике. Эта весьма искусственная теория просуществовала очень недолго — мы о ней упоминаем здесь только для того, чтобы дать представление о той атмосфере поисков, в которой протекала творческая жизнь теоретиков, пытающихся осмыслить новое загадочное явление...

В принципе «часовой механизм», действующий у пульсаров, можно было попытаться объяснить пульсациями нейтронных звезд, которые тогда еще не были обнаружены, хотя буквально «кричали» о своем присутствии. Однако из-за ожидаемого огромного значения их средней плотности период их пульсаций должен быть меньше 10^-3 секунды — величина слишком малая для пульсаров. Итак, феномен пульсаров оказалось невозможно объяснить пульсациями звезд каких бы то ни было типов.

После неудачи попыток объяснения пульсаров пульсациями звезд естественно, что внимание астрономов было сосредоточено на возможности объяснения этого феномена вращением какого-нибудь класса звезд. Этот механизм представлялся довольно перспективным, так как вращение массивного звездообразного тела, поверхность которого излучает неравномерно, вполне может объяснить удивительное постоянство периодов пульсаров. Но что это за космические тела, у которых период вращения вокруг оси около одной секунды и даже в отдельных случаях 1/30 секунды? Самый короткий из известных тогда астрономам периодов вращения был немного больше часа (это затменная двойная система WZ Стрелы, у которой орбитальный период, равный для тесных двойных систем периоду вращения вокруг оси, равен 81 минуте)[ 48 ]. Совершенно очевидно, что столь короткие периоды, которые наблюдаются у пульсаров, могут быть только при вращении космических объектов очень малых (по сравнению с «обычными» звездами) размеров. С другой стороны, существует предел для угловой скорости вращения, определяемый равенством центростремительной силы, действующей на каждый элемент звезды, силе гравитационного притяжения этого элемента к центру звезды. Запишем это условие математически:

(19.3)

где 3 — экваториальная скорость вращающейся звезды, = 2/P — угловая скорость, M и R, как и раньше, означают массу и радиус звезды. Если ²R GM/R², то звезда, предварительно сплющившись в диск, будет разорвана на куски. Из этой формулы следует, что минимальный период вращения у белых карликов, масса которых M 1M, a R 1000 км, будет только 10 секунд[ 49 ]. Значит, пульсары нельзя объяснить быстро вращающимися белыми карликами.

Пожалуй, стоит еще упомянуть об одной выдвинутой в то время гипотезе, пытавшейся объяснить пульсары как очень тесные двойные системы, каждая из компонент которых представляет очень маленькую, весьма плотную звездочку. При этом было показано, что если обе компоненты — белые карлики, почти соприкасающиеся друг с другом, то минимальный период должен быть 1,7 секунды. Но ведь можно предположить, что компонентами такой двойной системы являются еще более компактные, чем белые карлики, нейтронные звезды. Однако и такая гипотеза не проходит! Система, состоящая из двух очень близких нейтронных звезд, будет с огромной мощностью излучать гравитационные волны (см. § 24). Из-за потери энергии связанные с этим излучением нейтронные звезды через какие-нибудь несколько лет упадут друг на друга и сколлапсируют. До этого их период, по мере сближения компонент, будет довольно быстро уменьшаться, что резко противоречит наблюдениям (см. ниже). Наконец, стоит упомянуть еще об одной оригинальной идее, обсуждавшейся в то время. Эта идея представляет собой модификацию предыдущей, с той разницей, что двойная система представляет собой планету малой массы, обращающейся по очень маленькой орбите вокруг нейтронной звезды. Такая система, как оказывается, почти не будет излучать гравитационные волны и в этом смысле она будет вполне устойчивой. «Соблазн» ввести планету, обращающуюся вокруг звезды в пределах ее магнитосферы, был, в частности, вызван интересным феноменом в нашей Солнечной системе. Спутник Юпитера Ио, обращающийся вокруг самой большой планеты Солнечной системы как раз в пределах ее магнитосферы, сильнейшим образом влияет на мощное радиоизлучение Юпитера, в котором наблюдается периодичность, причем период совпадает с периодом обращения Ио. Хотя эта идея для объяснения пульсаров, несомненно, была свежей и интересной, быстро была показана ее несостоятельность: гравитационные приливные силы нейтронной звезды разорвали бы на куски такую близкую планету подобно тому, как, по-видимому, была разорвана планета, давшая начало частичкам, которые сейчас наблюдаются как кольца Сатурна.

Итак, были перебраны все возможности, кроме одной: «часовой механизм» пульсаров объясняется осевым вращением нейтронных звезд. Другими словами, пульсары — это очень быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Собственно говоря, вывод о том, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, отнюдь не явился неожиданностью. Можно сказать, что его подготовило все развитие астрофизики за предшествующее открытию пульсаров десятилетие. К 1967 г. астрономы уже не сомневались в том, что в результате вспышки сверхновой звезды может образоваться нейтронная звезда. Более того, ряд фактов, добытых из простого анализа результатов наблюдений, прямо указывал на такой процесс. В третьей части этой книги мы много говорили о Крабовидной туманности, этой подлинной лаборатории современной астрофизики. В частности, там обращалось внимание на то, что «предоставленная самой себе» эта туманность перестала бы светиться в течение какой-нибудь сотни лет, между тем как она в действительности существует около 1000 лет. Как уже говорилось, причина свечения Крабовидной туманности — торможение заключенных в ней релятивистских электронов в магнитном поле туманности. Тот простой факт, что, несмотря на это, туманность все-таки излучает в оптической области спектра многие сотни лет, мог означать только одно: в ней имеется постоянно работающий источник «накачки» релятивистских электронов. Прямые наблюдения явно указывали на место этого источника — в самом центре Крабовидной туманности, около слабой звездочки 16-й величины, которую один из величайших астрономов-наблюдателей XX века Вальтер Бааде интуитивно считал оптическим остатком взорвавшейся в начале июля 1054 г. звезды. Тот же Бааде обнаружил удивительную изменчивость туманности в малой области, непосредственно примыкающей к этой звездочке. Об этом уже шла речь в § 17. Согласно измерениям Бааде скорость изменения отдельных «жгутов» туманности достигала 30 000 км/с, т. е. 1/10 скорости света. Это явно указывало, что процессы, вызывающие эти изменения, связаны с выбрасыванием из какой-то малой области огромного количества быстрых частиц. Наконец, радиоастрономические наблюдения, выполненные английскими исследователями во время покрытия Крабовидной туманности Луной, непосредственно привели к открытию очень малого источника (угловые размеры около 0,5), расположенного в ее центре (см. § 17). Теперь-то мы знаем, что этот маленький источник радиоизлучения и есть пульсар, открытый только спустя четыре года после того как его обнаружили во время наблюдений покрытия Крабовидной туманности Луной. Его конечные, хотя и очень маленькие угловые размеры не являются «истинными»: они обусловлены рассеянием радиоизлучения от почти «точечного» источника. В истории науки было много случаев, когда задолго до того, как открытие было сделано, его «видели», но не поняли. Мы убедимся дальше, что пульсар в Крабовидной туманности астрономы наблюдали по крайней мере сотню лет, не подозревая, что это такое!

Вернемся, однако, к пульсарам. Да, их открытие буквально «стучалось в двери» астрономии. В теоретическом плане почти вплотную к открытию пульсара в Крабовидной туманности подошли Пиддингтон и, особенно, Н. С. Кардашев в 1964 г. Кардашев это сделал, исследуя трудную проблему происхождения магнитного поля Крабовидной туманности. В § 17 мы уже обращали внимание, что это поле отличается удивительной регулярностью. Оно отнюдь не представляет собой клубок беспорядочно намотанных магнитных силовых линий, как это, казалось бы, можно было ожидать. Кроме того, это поле само по себе достаточно велико и чрезвычайно медленно спадает от центра туманности к ее периферии. Для объяснения удивительных особенностей магнитного поля Крабовидной туманности Н. С. Кардашев предложил следующую простую и изящную модель. В результате вспышки сверхновой звезды ее внутренние части катастрофически сжимаются (коллапсируют). Хотя размеры звезды уменьшаются в сотню тысяч раз, две важные величины должны сохранить неизменное (или, точнее, почти неизменное) значение. Это, во-первых, момент количества движения, и во-вторых, магнитный поток. Момент количества движения любого космического тела можно определить как произведение экваториальной скорости его осевого вращения на его массу и на радиус:

(20.1)

Закон сохранения момента количества движения при любых процессах, происходящих в физическом теле, есть один из основных законов механики. Выше, правда, мы сделали оговорку, что момент количества движения «почти сохраняется». Что это означает? Это означает только то, что часть вещества взорвавшейся звезды вместе с некоторой частью первоначального момента количества движения выбрасывается наружу, в межзвездное пространство. Все же существенная, если не большая часть первоначального «вращательного момента» звезды сохраняется. В процессе катастрофического сжатия звезды ее масса (за вычетом выброшенной во время взрыва части) не меняется. Радиус же, как уже говорилось, уменьшается в сотню тысяч раз. Следовательно, из условия сохранения момента количества движения следует, что экваториальная скорость сжимающейся звезды должна увеличиться во столько раз, во сколько уменьшился ее радиус. На конечной стадии сжатия, когда образуется нейтронная звезда, ее экваториальная скорость вращения может быть огромной, даже близкой к скорости света! Нелишне подчеркнуть, что если первоначальная скорость вращения звезды (до взрыва) была сравнительно велика и если масса выброшенного во время взрыва вещества была сравнительно небольшой (что связано с небольшой потерей первоначального вращательного момента!), то задолго до того, как коллапсирующая звезда станет нейтронной, ее сжатие остановит центробежная сила, которая сравняется с силой сжимающего звезду гравитационного притяжения. Это обстоятельство, конечно, накладывает важные ограничения на сам процесс взрыва сверхновой.

Итак, первоначальная экваториальная скорость «только что» образовавшейся в результате гравитационного коллапса звезды должна быть огромной. С другой стороны, эта скорость связана с периодом вращения очевидной формулой

(20.2)

откуда

(20.3)

так как 3 1/R. Отсюда следует, например, что если в процессе катастрофического сжатия радиус звезды уменьшился, скажем, в 100 000 раз, то период ее вращения уменьшился в 10 миллиардов раз! Например, если бы наше Солнце, которое очень медленно вращается вокруг своей оси с периодом около 27 суток, вдруг превратилось бы в нейтронную звезду, то период вращения последней был бы около одной десятитысячной доли секунды!

Таким образом, из простого закона механики следует, что нейтронные звезды должны очень быстро вращаться. То, что ожидаемые периоды нейтронных звезд значительно короче наблюдаемых периодов пульсаров, не должно нас смущать: объяснение этому будет дано ниже.

Столь же естественно получается, что образовавшиеся вследствие коллапса нейтронные звезды должны быть сильно намагничены. Это — прямое следствие закона сохранения магнитного потока, который можно записать следующим образом (см. также § 16):

(20.4)

откуда следует, что при сжатии звезды магнитное поле на ее поверхности меняется обратно пропорционально квадрату радиуса. Сам закон сохранения магнитного потока попросту означает «неуничтожаемость» магнитных силовых линий, прочно «привязанных» к проводящему электричество веществу сжимающейся звезды. Посмотрим теперь, к чему приводит этот закон. Допустим, что до взрыва магнитное поле на поверхности звезды было очень слабое, например, было близко к одному эрстеду. Такое поле, например, имеется на поверхности Земли. Тогда оказывается, что магнитное поле образовавшейся после гравитационного сжатия нейтронной звезды будет иметь огромное значение в десять миллиардов эрстед! Ничего похожего ни в одной физической лаборатории мира никогда не получалось. Физики умеют создавать в ограниченной области на короткое время, исчисляемое микросекундами, магнитные поля напряженностью в несколько миллионов эрстед. Такие магнитные поля, какие следует ожидать на нейтронных звездах, им, как говорится, и не снились...

По мысли Н. С. Кардашева регулярное магнитное поле в Крабовидной туманности есть следствие «закручивания» поля нейтронной звезды в окружающей ее плазме, заполняющей некоторый вращающийся диск, имеющий магнитную связь с коллапсирующей звездой. Расчеты, выполненные Н. С. Кардашевым, показали, что за время жизни Крабовидной туманности таким способом могло «намотаться» поле нужной величины.

Рис. 20.1: Модель пульсара по Голду.

Работа Н. С. Кардашева была нацелена не столько на предсказание удивительных свойств образующихся при вспышках сверхновых нейтронных звезд, сколько на объяснения «квазирегулярного» магнитного поля Крабовидной туманности. Все же в ней совершенно четко подчеркивались два основных свойства образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд: а) огромная скорость осевого вращения, б) исключительно большая величина напряженности их магнитного поля. В появившейся в 1967 г. (т. е. примерно за год до публикации первой работы об открытии пульсаров) работе итальянского астронома Ф. Пачини также было обращено внимание на эти два основных свойства нейтронных звезд. В этой работе итальянский исследователь сделал важный акцент на тот простой факт, что кинетическая энергия вращающейся нейтронной звезды будет переходить в электромагнитную энергию и по этой причине ее период вращения будет непрерывно расти. По существу, то же предсказание о непрерывной потере кинетической энергии вращения нейтронной звезды сделал и Н. С. Кардашев тремя годами раньше. Ведь энергия магнитного поля Крабовидной туманности по его концепции черпается за счет кинетической энергии вращения нейтронной звезды, которая по этой причине должна тормозиться. Заслуга Пачини, однако, состоит в том, что он эту простую идею высказал в четкой и ясной форме. Это тоже имеет большое значение в истории науки!

Пожалуй, первый ученый, сказавший, что только что открытые пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, был известный американский астроном Т. Голд. Именно ему принадлежит простая модель пульсара, схематически изображенная на рис. 20.1. Для этой модели существенно, что магнитная ось нейтронной звезды, одновременно являющаяся осью конуса, в пределах которого по некоторым причинам сосредоточено мощное радиоизлучение, не совпадает с ее осью вращения. По этой причине при «благоприятном» положении наблюдателя по отношению к вращающейся нейтронной звезде он будет принимать от этой звезды радиоимпульсы, разделенные одинаковыми интервалами времени. Почти одновременно с Голдом такое же объяснение феномена пульсаров дал и Пачини, который вполне уже мог ссылаться на свою упомянутую выше теоретическую работу, опубликованную до открытия пульсаров. В этой работе, как мы видели, содержится важное теоретическое предсказание, что периоды вращения у всех нейтронных звезд должны со временем расти. Очень скоро путем прямых наблюдений была показана справедливость этого прогноза. Например, в начале 1969 г. с помощью гигантского радиотелескопа Пуэрто-Рико американские радиоастрономы Ричарде и Комелла нашли, что период пульсара Крабовидной туманности регулярно растет на 36 наносекунд в день (наносекунда — одна миллиардная часть секунды). У других пульсаров также вскоре было измерено непрерывное увеличение периодов, правда, значительно меньше. Можно спросить, а как вообще можно измерить столь ничтожные по своей величине изменения периодов? Ответ на этот вопрос прост: если бы период пульсаций был величиной строго постоянной, то можно было бы на большой срок вперед предсказать точную фазу. Например, предсказать, что точно через год, т. е. через тридцать один миллион шестьсот тысяч секунд у данного пульсара будет наблюдаться импульс радиоизлучения. Сравнение моментов реальных наблюдений импульсов и предсказанных в предположении о постоянстве периодов позволяет с огромной точностью определить малые изменения периодов пульсаров. Эта поразительная точность, вообще говоря, будет тем выше, чем короче период пульсара, чем дольше проводятся его наблюдения и, конечно, чем быстрее меняется период[ 50 ].

То, что у всех без исключения пульсаров периоды растут, явилось решающим подтверждением концепции, согласно которой пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды. И, наконец, два самых короткопериодических пульсара, NP 0531 и PSR 0835—45, находятся внутри радиоизлучающих туманностей — остатков вспышек сверхновых.

В связи с последним обстоятельством возникает вполне естественный вопрос, вернее, два вопроса: почему далеко не во всех радиотуманностях — остатках вспышек сверхновых — наблюдаются пульсары и почему пульсары, как правило, не находятся в пределах радиотуманностей? Рассмотрим прежде первый вопрос. Действительно, в большей части из известных радиотуманностей пульсары не обнаружены. Например, в самом ярком (после Солнца) радиоисточнике на небе, Кассиопее А, являющемся едва ли не самым молодым остатком вспышки сверхновой (см. часть III), пульсар не обнаружен. То же самое следует сказать о знаменитой системе тонковолокнистых туманностей в созвездии Лебедя, а также об остатках исторических Сверхновых 1572 г. (Тихо) и 1604 г. (Кеплер). В известном каталоге австралийского радиоастронома Милна содержится свыше 100 таких объектов, из которых только у трех (или четырех) обнаружены пульсары. Объяснение этому очень простое: радиоизлучение пульсаров неизотропно (т. е. не имеет одинаковой интенсивности по всем направлениям), а сосредоточено в пределах некоторого конуса, ось которого наклонена к его оси вращения (см. рис. 20.1). Надо, конечно, еще иметь в виду, что для удаленных радиотуманностей поток излучения от пульсаров будет мал.

Вполне возможно, что в близком будущем будут открыты еще несколько слабых пульсаров у еще более удаленных туманностей. Все же эффект направленности излучения пульсаров должен играть важнейшую роль при объяснении отсутствия пульсаров в остатках вспышек сверхновых. Нам, например, очень повезло, что Крабовидная туманность, в дополнение ко многим своим удивительным свойствам, о которых речь шла в части III, к тому же имеет пульсар, который особенно «удачно» ориентирован по отношению к земным наблюдателям...

Отсутствие радиотуманностей вокруг подавляющего большинства пульсаров объясняется еще проще. Дело в том, что основная часть известных сейчас пульсаров имеет возраст, во всяком случае превышающий миллион лет, в то время как возраст даже наиболее «старых» радиотуманностей — остатков вспышек сверхновых — по крайней мере в 10 раз меньше. В § 16 мы уже занимались оценкой возраста этих туманностей. Как же определяется возраст пульсаров?

Оказывается, что этот возраст можно определить довольно надежно, пожалуй, даже более надежно, чем возраст радиотуманностей. Выше уже шла речь о непрерывном увеличении периодов у всех без исключения пульсаров. Следовательно, можно полагать, что молодые, недавно образовавшиеся нейтронные звезды (которые радиоастрономы наблюдают как пульсары) должны вращаться значительно быстрее старых, уже порядком затормозивших свое вращение объектов. Отсюда ясно, что, зная период пульсара и его рост за единицу времени, можно определить его возраст. Обозначим изменение периода пульсара P за одну секунду через . Тогда ясно, что если бы за всю историю эволюции пульсара величина P была постоянной, то его возраст, выраженный в секундах, определялся бы простой формулой

(20.5)

Тот факт, что в начале «жизни» пульсара, когда его торможение должно было быть особенно сильным, а величина P естественно была значительно больше, чем у «старого» пульсара, заставляет сделать вывод, что действительный возраст пульсара должен быть меньше. Теория торможения пульсаров, о которой речь будет ниже, дает такую формулу для возраста пульсаров:

(20.6)

Рис. 20.2: Схема, поясняющая зависимость периода пульсара от его возраста.

На рис. 20.2 схематически приведена зависимость периода пульсара от его возраста, поясняющая сказанное выше. Применение этой формулы к пульсарам, находящимся внутри радиотуманностей, дает весьма впечатляющие результаты. Например, у пульсара NP 0531, находящегося внутри Крабовидной туманности, P = 0,033 секунды, = 36 наносекунд/день или 4,2 10^-13 с/с. Отсюда по формуле (20.6) t₁ = 4 10¹⁰ с или 1200 лет, что на 20% превосходит реальный возраст Крабовидной туманности, образовавшейся в 1054 г. Наконец, возраст пульсара PSP 0835—45 оказывается всего 12 000 лет, в то время как возраст туманности Паруса X (остатка сверхновой) около 10 000 лет.

Недавно был обнаружен третий пульсар, находящийся внутри остатка вспышки сверхновой MSH 15-52. Этот очень слабый пульсар имеет период 0,15 с и возраст (определяемый по замедлению вращения) 1570 лет. Пульсар этот, подобно пульсару в Крабовидной туманности, наблюдается как и в радио-, так и в рентгеновских лучах. Радиотуманность MSH 15-52, подобно объекту Паруса X, является комбинацией плериона и оболочки.

Что касается всех остальных пульсаров, не находящихся в пределах радиотуманностей, образовавшихся после вспышек сверхновых, то их возрасты, определенные по формуле (20.6), как правило, превышают миллион лет. Например, возраст первого из открытых пульсаров, СР 1133, оказывается 5 10⁶ лет.

Теперь вполне понятно, почему подавляющее большинство пульсаров не окружено радиотуманностями. За миллионы лет эти туманности благодаря своему расширению полностью «растворятся» в окружающей межзвездной среде и перестанут быть наблюдаемыми. Радиотуманности, образующиеся на месте вспышек сверхновых звезд, представляют собой сравнительно эфемерное образование, между тем как нейтронные звезды оказываются весьма долговечными объектами. Только самые молодые нейтронные звезды окружены еще не успевшими рассеяться туманностями — источниками радиоизлучения.

Различие в возрасте пульсаров и остатков вспышек сверхновых звезд, без сомнения, является основной причиной отсутствия вокруг подавляющего большинства пульсаров радиотуманностей. Но, в принципе, может быть еще одна очень любопытная причина. Дело в том, что пульсары движутся в пространстве с довольно значительными скоростями. Например, это имеет место для пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности (см. ниже). Чисто радиоастрономическим методом, о котором речь будет идти дальше, можно найти для ряда пульсаров их скорость по отношению к скорости движения неоднородностей в межзвездной среде. Так как последние не могут быть очень велики, то этот метод дает «тангенциальные» компоненты скоростей самих пульсаров. Эта скорость также оказывается очень большой — в пределах 150—500 км/с[ 51 ]. Если скорость вновь образовавшегося пульсара около 400—500 км/с, то за время существования генетически связанной с ним радиотуманности ( 100 тысяч лет) он уйдет от места своего рождения на 40—50 пс, что в 2—3 раза превышает радиус самых старых из наблюдаемых радиотуманностей. Таким образом, в принципе, возможна такая ситуация, когда пульсар довольно далеко уйдет от еще не успевшей «растаять» в межзвездной среде радиотуманности. В таком случае критерием генетической связи пульсара и радиотуманности будет уже не их пространственное совпадение и одинаковый возраст, а только возраст. Пока еще, несмотря на несколько попыток, такие пары не обнаружены. Однако вполне возможно, что в будущем поиски таких пар увенчаются успехом.

Возникает вопрос: а почему у вновь образовавшихся нейтронных звезд так велики пространственные скорости? По-видимому, причина кроется в самих обстоятельствах рождения нейтронных звезд. Вся совокупность наблюдательных данных, а также теория, говорят о том, что нейтронные звезды образуются в процессе взрыва сверхновых звезд. Очень трудно представить себе, однако, что такой взрыв должен быть идеально симметричным. В самом деле, наличие, например, магнитного поля, ось которого не совпадает с осью вращения, обязательно сделает выброс вещества из звезды, пусть даже немного, несимметричным. К чему же это приведет? Скорость выброса вещества во время взрыва звезды достигает 10 000 км/с (см. часть III), причем выбрасывается по крайней мере 10% массы звезды. Тогда очевидно, что если степень асимметрии взрыва всего лишь 10% (т. е. в одну сторону выбрасывается на 10% вещества больше, чем в другую), то по закону сохранения импульса тело, оставшееся после взрыва, т. е. нейтронная звезда, получит «скорость отдачи» не меньшую, чем 100 км/с. Скорее всего, эта скорость будет больше. Любопытно, что вывод о больших скоростях, образующихся при гравитационном коллапсе нейтронных звезд, был сделан теоретически до того, как этот результат был получен из наблюдений. О другой разновидности механизма получения больших скоростей вновь образующихся пульсаров речь будет идти в § 22.

Итак, пространственные скорости пульсаров очень велики, во всяком случае они превышают 200 км/с. Но если это так, то за миллиарды лет они должны уйти очень далеко от места своего рождения. У многих пульсаров скорости поступательного движения настолько велики, что они должны покидать нашу Галактику. Отсюда следует, что старые пульсары должны образовывать гигантскую квазисферическую «корону» вокруг Галактики размером в сотни тысяч световых лет. Ничего подобного, однако, не наблюдается! Пространственное распределение пульсаров примерно такое же, как у старых звезд галактического диска. Они концентрируются к галактической плоскости в слое толщиной около 300 пс. Кроме того, на расстоянии свыше 15 000 пс от галактического центра пульсары отсутствуют. Как же согласовать между собой с одной стороны — огромные пространственные скорости пульсаров, а с другой — их сравнительно «плоское» пространственное распределение? Скорее всего ответ такой. Спустя несколько миллионов лет после образования пульсары перестают излучать радиоволны. Поэтому «истинный» возраст подавляющего большинства пульсаров не превышает 2—3 миллиона лет. Следовательно, определение возраста пульсаров по формуле t = далеко не всегда дает хороший результат.

Полное количество всех пульсаров в Галактике должно быть порядка нескольких сотен тысяч. Только малая часть их наблюдаема (всего сейчас известно около 350 пульсаров). Так как средний возраст пульсаров близок к 2 10⁶ лет, то частота появления новых пульсаров приблизительно равна одному объекту за несколько десятков лет — величина, близкая к частоте вспышек сверхновых.

Среди всех известных до настоящего времени пульсаров, пожалуй, самым интересным является пульсар NP 0531, находящийся вблизи центра Крабовидной туманности. Все его свойства, если можно так выразиться, оказываются «экстремальными»: он является самым короткопериодическим[ 52 ], быстрее всех увеличивающим свой период, а следовательно, самым молодым из всех известных объектов этого класса. Но, пожалуй, самым интересным является то, что он является пока единственным пульсаром, от которого наблюдается не только радио-, но и оптическое излучение.

Мы уже упоминали в § 17, что в центральной части Крабовидной туманности находятся две звездочки приблизительно 16-й величины (см. рис. 17.5). Расстояние между этими звездочками меньше 5. Северная звездочка ничего интересного не представляет. Она не связана генетически с Крабовидной туманностью, а просто случайно проектируется на туманность — ее расстояние значительно меньше. Совершенно другую природу имеет южная звездочка. Еще в 1942 г. был получен ее спектр. Он оказался весьма необычным. Высокая интенсивность его ультрафиолетовой части указывала на то, что поверхность этой звезды очень горяча. Но самое примечательное — это отсутствие каких бы то ни было спектральных линий, как излучения, так и поглощения, в спектре этой звезды. Столь необычные характеристики «южной» звезды в Крабовидной туманности послужили для Бааде основанием предположить, что эта звезда — остаток взрыва Сверхновой 1054 г. В дальнейшем Бааде, как уже говорилось в § 17, исследовал удивительно быструю изменчивость деталей центральной части Крабовидной туманности, в непосредственной близости от южной звезды. Это указывало на продолжающуюся активность южной звезды — новый важный аргумент в пользу гипотезы Бааде.

Сразу же после того как Стэйлин и Райфенстайн открыли пульсар в Крабовидной туманности, а Комелла на Пуэрто-Риканской обсерватории в Аресибо определил необычно короткий его период, возникла идея, что этот пульсар может излучать импульсы и в оптическом диапазоне длин волн. Так как из радионаблюдений период пульсаций был известен, задача для оптических астрономов значительно упрощалась. Впервые оптические импульсы от пульсара NP 0531 наблюдали в самом начале 1969 г. американские астрономы Кок, Дисней и Тэйлор. Они использовали сравнительно небольшой 36-дюймовый телескоп обсерватории Стюарта в штате Аризона. Почти одновременно оптические импульсы с периодом 0,033 секунды были получены и двумя другими исследовательскими группами.

Можно и раньше было подозревать, что пульсар NP 0531 каким-то образом связан с южной звездочкой в центральной части Крабовидной туманности. В пользу этого предположения указывали, во-первых, близость координат обоих объектов и, во-вторых, необычные свойства южной звезды, о которых речь шла выше. Оптические наблюдения со всей наглядностью подтвердили это предположение. Прямые фотоэлектрические наблюдения блеска указанной звезды, выполненные с малым временем накопления, выявили поразительное явление: блеск этой звезды не постоянен (как долгие годы молчаливо предполагалось астрономами), а строго периодически меняется, как это видно на рис. 20.3. Период с огромной точностью равен периоду радиопульсара NP 0531. Так же как и в радиодиапазоне, наряду с «главным» импульсом в оптических лучах наблюдается «интеримпульс», который находится приблизительно (но не точно) посредине между главными импульсами. Итак, южная звездочка Крабовидной туманности, известная астрономам уже свыше 100 лет, оказалась вовсе не звездой, а пульсаром! Если бы не развитие радиоастрономии, приведшее в конце концов к открытию пульсаров, никому и. в голову не могла бы прийти «больная» мысль искать столь необычно короткую периодичность в оптическом излучении давно известного объекта! Этот пример наглядно демонстрирует взаимодействие и взаимосвязь оптической и радиоастрономии — двух могучих ветвей одного старого дерева. Таких примеров можно привести немало — стоит только упомянуть открытие квазаров. Во всех случаях, как правило, роль «разведчика», гида, обнаруживающего дотоле неизвестное явление природы, играет радиоастрономия.

Рис. 20.3: Кривая блеска пульсара NP 0531 (вверху — фотография центральной части Крабовидной туманности в соответствующие моменты времени).

Рис. 20.4: «Стробоскопические» наблюдения оптического излучения пульсара NP 0531.

Со всей очевидностью необычный характер южной звезды в Крабовидной туманности доказывают фотографии, приведенные на рис. 20.4. При получении этих фотографий использовался принцип хорошо известной детской игрушки, называемой «стробоскоп». Пучок света в телескопе фокусируется на телевизионную камеру, которая колеблется с периодом, точно равным периоду пульсара NP 0531. Если колебания камеры происходят в «фазе» с импульсами оптического излучения от этого пульсара, то каждый раз камера будет принимать его «максимальное» излучение. Если же фаза будет другой, то на камеру будет действовать весьма слабый световой поток от пульсара, излучаемый им в промежутке между импульсами. С другой стороны, эффект от соседних, «обычных» звезд, очевидно» совершенно не зависит от фазы колебаний камеры. На рис. 20.4 внизу видны три звезды, между тем как на фотографии, приведенной на рис. 20.4 вверху, появилась четвертая, самая яркая. Это и есть южная звезда Крабовидной туманности, фотография которой получена при совпадении фаз колебаний телевизионной камеры и пульсара. Трудно найти в современной астрономии более наглядное доказательство необычной природы давно известного космического объекта.

Через пару месяцев после того как было обнаружено оптическое излучение пульсара NP 0531, Брадт и его сотрудники обнаружили от него рентгеновское излучение. Вскоре выяснилось, что в «старых» рентгеновских наблюдениях Крабовидной туманности имелась пульсирующая составляющая, вклад которой составлял около 6% от полного рентгеновского излучения туманности, причем период пульсаций был как раз таким, как у NP 0531, т. е. 0,033 секунды. Само собой разумеется, что если бы не открытие радиопульсара с этим периодом, то пульсирующая составляющая в рентгеновском излучении Крабовидной туманности вряд ли была бы обнаружена.

С тех пор было выполнено большое количество исследований пульсара NP 0531 в рентгеновском диапазоне. В 1970 г. от него было обнаружено пульсирующее гамма-излучение с энергией квантов до 100 МэВ. Наконец, в 1972 г. было найдено и сверхжесткое гамма-излучение с энергией квантов до 10¹² эВ. Последнее было обнаружено очень интересным методом, основанным на эффекте Черенкова, от электронов, образующихся в земной атмосфере при поглощении потока жестких гамма-квантов от Крабовидной туманности.

Рис. 20.5: Кривые блеска NP 0531 в разных спектральных диапазонах.

На рис. 20.5 в одном масштабе приведены «кривые блеска» пульсара NP 0531 в разных спектральных диапазонах. Заметим, что самая низкая частота радиодиапазона, на которой зарегистрировано излучение этого пульсара, близка к 3 10⁷ Гц (длина волны 10 м), в то время как самая высокая частота гамма-диапазона превышает 3 10²⁷ Гц. Таким образом, отношение частот на обоих концах огромного диапазона электромагнитных волн, на которых излучает NP 0531, равно 10²⁰ : 1 — величина фантастически большая. Сравнивая кривые блеска на радио- и на оптических и рентгеновских частотах, мы видим, что на радиочастотах (особенно низких) импульс начинается всегда раньше, чем на высоких частотах. На низких радиочастотах наблюдается некое дополнительное излучение, предшествующее главному максимуму и четко от него отделенное по времени. Это дополнительное излучение получило название «предимпульс». На высоких частотах радиодиапазона интенсивность предимпульса быстро падает, из чего следует вывод, что его радиоспектр очень крутой, значительно более крутой, чем спектр радиоизлучения основного импульса и интеримпульса. В оптическом диапазоне никаких следов предимпульса не наблюдается. Из кривой блеска NP 0531 в оптических лучах следует, что интенсивность излучения между импульсами не падает до нуля, а составляет хотя и малую, но вполне реальную величину. Точные электрофотометрические измерения показывают, что, например, между главным импульсом и интеримпульсом интенсивность не опускается ниже уровня, составляющего около 1% максимальной интенсивности главного импульса. В рентгеновском же диапазоне эта «межимпульсная» интенсивность достигает 10%. Отсюда следует, что спектр этой составляющей излучения пульсара (которую можно назвать «почти изотропной») значительно «жестче», чем спектр основной части излучения, сосредоточенной в импульсах. Любопытно также, что в рентгеновских лучах интенсивность импульса и интеримпульса почти равны, между тем как в оптических лучах интенсивность интеримпульса раза в три меньше интенсивности главного импульса[ 53 ].

Особенно интересны результаты наблюдений NP 0531 в ближней инфракрасной области. Здесь интенсивность пульсара NP 0531 падает в сторону низких частот, между тем как поток инфракрасного излучения от самой Крабовидной туманности растет при уменьшении частоты. На рис. 20.6 схематически приведены спектры Крабовидной туманности и находящегося в ней пульсара для всего диапазона электромагнитных волн, от радио- до гамма-лучей. Из этого рисунка прежде всего следует, что высокочастотный (т. е. оптический и рентгеновский) спектр NP 0531 никоим образом не является простым продолжением его радиоспектра. Имеется еще одно важное отличие между радио- и оптическим излучением этого пульсара. В то время как оптическое излучение NP 0531 отличается удивительным постоянством (в частности, звездная величина NP 0531 остается неизменной в пределах долей процента), его радиоимпульсы подвержены большим вариациям по своей интенсивности. Довольно часто наблюдается огромное, более чем стократное, увеличение интенсивности радиоимпульсов по сравнению со средним значением. Именно по этой причине Стэйлин и Райфенстайн смогли открыть этот пульсар — ведь они не располагали приемной аппаратурой, которая смогла бы зарегистрировать очень короткую периодичность обычных импульсов от NP 0531. Но зато они уверенно обнаружили время от времени возникающие огромные по мощности кратковременные импульсы радиоизлучения от этого пульсара. Заметим в этой связи, что явление «гигантских импульсов» наблюдается также в радиоизлучении некоторых других пульсаров. Такая разница в поведении радио- и «высокочастотного» излучения от пульсара NP 0531 явно указывает на различие в механизмах их излучения.

Рис. 20.6: Схема спектров NP 0531 и Крабовидной туманности.

Основная доля электромагнитного излучения NP 0531 сосредоточена в «высокочастотной» части спектра. Зная величину потока излучения от этого пульсара во всем диапазоне (обозначим, как обычно, эту величину через F) и расстояние до Крабсвидиой туманности r, которое близко к 2000 пс, легко найти мощность излучения пульсара:

что в несколько сотен раз превышает мощность излучения Солнца. Основная часть этой мощности падает на рентгеновский диапазон. Еще в тридцатых годах нашего столетия было установлено, что южная звезда в центре Крабовидной туманности обладает хотя и малым, но вполне измеримым собственным движением. Ее смещение за год по обеим координатам согласно измерениям Дункана составляет = 0,010 секунды дуги, = 0,002 секунды дуги. В дальнейшем собственное движение этой звезды уточнялось наблюдениями ряда астрономов, в частности, пулковских. Зная собственное движение и расстояние до объекта, можно легко найти проекцию его пространственной скорости на плоскость, перпендикулярную к лучу зрения. Учитывая, что расстояние до Крабовиднойтуманности составляет около 2000 пс, можно отсюда найти, что указанная выше проекция скорости составляет величину около 120 км/с. Таким образом, пульсар в Крабовидной туманности, подобно другим пульсарам, обладает большой пространственной скоростью. Об этом у нас речь уже шла выше.

Таковы основные результаты наблюдений пульсара NP 0531 на разных частотах. Некоторые другие результаты наблюдений, а также, что самое интересное, попытки теоретического объяснения природы этого пульсара будут рассматриваться ниже. Теперь же мы остановимся на двух других пульсарах, у которых, по-видимому, также наблюдается высокочастотное излучение. Первый из этих пульсаров связан с остатком сверхновой Паруса X, второй с MSH 15-52. Об этих пульсарах речь шла выше.

В 1977 г. на месте пульсара PSR 0833—45 был обнаружен исключительно слабый оптический объект, пульсирующий с периодом 0,089 секунды, но имеющий два максимума за период, так же как и гамма-излучение от этого пульсара (см. ниже). Любопытно, что от этого пульсара были обнаружены довольно интенсивные импульсы гамма-излучения с энергией квантов больше 30 МэВ. Гамма-профиль PSR 0833—45 имеет два максимума, по фазе не совпадающих с радиоимпульсом. По-видимому, причина гамма-излучения этого пульсара та же, что и сверхжесткого излучения NP 0531. Необходимо еще много наблюдений, чтобы разобраться в сложной проблеме, которую поставил этот очень интересный пульсар.

Тот факт, что жесткое рентгеновское излучение обнаружено только у двух-трех пульсаров, общим свойством которых является молодость, заставляет предположить, что длительность «рентгеноизлучающей» фазы у пульсаров мала по сравнению с длительностью радиоизлучающей фазы. С другой стороны, последняя также ограничена и для большинства пульсаров близка к 3 10⁶ лет (см. выше). Таким образом, мы чисто эмпирически приходим к представлению, что по мере эволюции нейтронной звезды «активность», проявляющаяся в радио-, оптическом и рентгеновском излучении, должна непрерывно уменьшаться. Напротив, гамма-излучение возможно астрономами уже обнаружено у некоторых сравнительно старых пульсаров, что говорит в пользу особой природы этого излучения (см. § 23).

Вернемся теперь к вопросу о связи пульсаров и радио- и рентгеновских туманностей — остатков вспышек сверхновых. Заслуживает, прежде всего, внимания тот факт, что все три туманности — остатки сверхновых; внутри которых находятся пульсары,— являются плерионами. В то же время из наблюдений следует, что плерионы, по-видимому, являются остатками вспышек сверхновых II типа. Это доказано для двух исторических сверхновых — 1054 г. (давшей начало Крабовидной туманности) и 1181 г. («родительницы» плериона 3C 58). Любопытно подчеркнуть, что туманности — остатки вспышек «исторических» (т. е. зарегистрированных в хрониках) сверхновых I типа плерионами не являются. Напрашивается вывод, что нейтронные звезды, наблюдаемые как пульсары,— это остатки взрывов более массивных и молодых сверхновых II типа, между тем как после взрывов менее массивных, сравнительно старых звезд — сверхновых I типа, звездных остатков не сохраняется,— они полностью рассеиваются в межзвездном пространстве.

То обстоятельство, что нейтронные звезды образуются в результате эволюции массивных звезд, представляется вполне естественным. Ибо только у таких звезд может образоваться кислородно-углеродное ядро с массой, превышающей чандрасекаровский предел. Наличие нейтронных звезд (наблюдаемых как рентгеновские пульсары — см. § 21) в массивных двойных системах как будто бы подтверждает такой вывод.

Возможно, что к этой проблеме имеет отношение явление радиоизлучения сверхновых (а не их остатков!), которое в последнее время привлекает к себе внимание радиоастрономов. Во всех трех случаях, когда это явление наблюдалось, излучали радиоволны сверхновые II типа спустя 1—3 месяца после максимума блеска. Не исключено, как предположил автор этой книги, что стимулирует радиоизлучение сверхновых II типа находящийся там молодой, активный пульсар. Возможно, однако, и другое объяснение, связывающее это радиоизлучение со взаимодействием расширяющейся оболочки с окружающим взорвавшуюся звезду «ветром».

Пожалуй, труднее всего для пульсаров определяются две основные характеристики всякого «нормального» источника радиоизлучения — поток и спектр. Эти трудности связаны прежде всего с самой природой пульсаров. Дело в том, что, как уже неоднократно упоминалось выше, радиоизлучение пульсаров в высшей степени сложным образом меняется со временем. Эти изменения, в частности, бывают очень быстрыми, например, два соседних импульса могут иметь заметно различающиеся «профили» (это то же самое, что на оптических частотах кривая блеска). Другими словами, за время порядка секунды (характерное время для периода пульсаров) могут наблюдаться существенные изменения потока. Специфической особенностью пульсаров как источников радиоизлучения являются их ничтожно малые угловые размеры. Поэтому они, как никакие другие известные в радиоастрономии источники, подвержены сцинтилляциям. И хотя спектр радиоизлучения пульсаров, по-видимому, достаточно стабилен, характер сцинтилляций существенно зависит от частоты излучения. Это приводит к сильнейшим искажениям спектра при прохождении излучения пульсара через межзвездную среду. Например, на некоторой частоте за несколько минут из-за сцинтилляции поток радиоизлучения может упасть до нуля, в то время как для частоты, слегка отличной, такое уменьшение потока произойдет уже в другой момент. Добавив к этому, что обусловленные сцинтилляциями искажения быстро меняются со временем, мы получим представление о том, что «истинный» спектр радиоизлучения пульсара определить не просто. Для исключения влияния сцинтилляции прежде всего нужно усреднять наблюдения по очень большому (исчисляемому сотнями) числу периодов. При этом, однако, возникает дополнительная трудность, что за такое большое количество периодов само «истинное» (т. е. не искаженное сцинтилляциями) излучение пульсаров может заметно измениться. Так получаются «сглаженные» по времени «синтетические» профили и «синтетические» спектры. В свою очередь сравнение различных «синтетических» профилей, полученных для одного и того же пульсара, позволяет выявить ряд вариаций, начиная от минутных и кончая годовыми. Естественно, что данных о более долговременных вариациях основных характеристик излучения пульсаров пока не существует, так как первые пульсары обнаружены всего около 15 лет назад.

Рис. 21.1: «Синтетические» спектры нескольких пульсаров.

На рис. 21.1 приведены «синтетические» спектры нескольких пульсаров, полученные на известной радиоастрономической обсерватории Джодрелл Бэнк. Как правило, спектральная плотность их потоков быстро падает с ростом частоты. Впрочем, у некоторых пульсаров (например, у PSR 0329+54) наблюдается довольно плоский максимум около частоты 400 МГц. А вообще, спектр может быть представлен степенным законом (как и для других источников космического радиоизлучения) F , где F — усредненная спектральная плотность потока, а величина («спектральный индекс») для большинства пульсаров меняется от -1 до -2, причем никакой зависимости от периода пульсара нет.

«Профили» радиоизлучения пульсаров часто отличаются большим количеством деталей. Например, у пульсара, находящегося в Крабовидной туманности, наблюдаются отдельные детали радиопрофиля, гораздо более «узкие», чем у оптической кривой блеска; эти детали довольно быстро меняются от периода к периоду, но «синтетический» профиль NR 0531 все же близок к кривой блеска его высокочастотного (оптического) излучения.

Радиоизлучение пульсаров сильно поляризовано. У отдельных импульсов иногда наблюдается почти 100%-ная линейная поляризация. Очень интересно, что даже у одного импульса за время, исчисляемое малыми долями периода, характеристики поляризации (например, направление колебаний электрического вектора) могут сильно меняться. Об этом важном явлении речь будет идти ниже, а пока отметим, что в общем случае у пульсаров наблюдается эллиптическая поляризация.

Как уже неоднократно указывалось, периоды пульсаров в первом приближении можно рассматривать как весьма стабильные. Однако длительные ряды наблюдений позволяют выявить очень интересные вариации в периодах. Прежде всего такие наблюдения выявляют важнейший эффект непрерывного увеличения периодов у всех без исключения пульсаров. Это позволяет сделать достаточно надежную оценку их возраста (см. выше). Из-за эффекта Доплера, вызванного орбитальным движением Земли со скоростью 30 км/с, периоды пульсаров в течение года меняются примерно на одну десятитысячную своего значения (для пульсаров, находящихся сравнительно близко от эклиптики), и на меньшую, но вполне «ощутимую» величину — для других пульсаров. При определении периода пульсаров с той большой точностью, какая достигается в настоящее время, эффект Доплера всегда исключается и дается значение «гелиоцентрического» периода, т. е. того периода, который обнаружил бы воображаемый наблюдатель, находящийся на Солнце.

Рис. 21.2: Результаты наблюдения «звездотрясения» у пульсара PSR 0833—45.

Чрезвычайно интересное явление было открыто в 1969 г. в Австралии радиоастрономами Манчестером и Радхакришнаном. Они обнаружили скачкообразное уменьшение периода пульсара PSR 0833—45, которое произошло где-то между 24 февраля и 3 марта 1969 г. (рис. 21.2, в промежутке времени между этими двумя датами наблюдения указанного пульсара не проводились). Величина уменьшения периода довольно значительна: около 200 наносекунд. Учитывая, что период этого пульсара 0,089 с, «сбой» периода составляет 2 10^-6 его значения. Интересно еще и то, что после описанного скачкообразного уменьшения периода дальнейшее его увеличение происходило быстрее на 1%, чем до «сбоя». Спустя 2¹/₂ года, в конце 1971 г., явление «сбоя» периода PSR 0833—45 повторилось почти в точности. Такое странное явление можно объяснить только реальным скачкообразным изменением периода вращения нейтронной звезды. Изменение периода вращения в свою очередь должно быть следствием скачкообразного уменьшения момента инерции звезды, вызванного какими-то сложными процессами в ее недрах (например, изменением характера связи между поверхностными слоями нейтронной звезды и ее недрами). Явление скачкообразного «сбоя» периода у пульсаров получило образное и меткое название «звездотрясений». В гораздо меньшем масштабе, чем у пульсара PSR 0833—45 несколько «звездотрясений» наблюдалось у пульсара в «Крабе». Изучение «звездотрясений» открывает единственную в своем роде возможность исследований недр нейтронных звезд, подобно тому как анализ сейсмических явлений на Земле является важнейшим методом исследования внутренних областей нашей планеты.

Огромная точность, с которой сейчас определяются периоды пульсаров и различные их вариации, позволяет сделать еще один важный вывод, касающийся природы пульсаров. Представим себе, что пульсар является компонентой двойной системы. Тогда величина его периода должна периодически меняться в соответствии с его орбитальным движением в двойной системе. Из того простого факта, что таких периодических изменений периода ни у одного пульсара не наблюдается, следует очень важный вывод, что пульсары (вернее, отождествляемые с ними нейтронные звезды) не являются компонентами кратных звездных систем. Этот факт сам по себе очень удивителен. Ведь двойственность очень распространена среди звезд. Как уже говорилось в § 14, по крайней мере 50% всех звезд входит в состав двойных звезд, а среди молодых, массивных звезд этот процент еще выше. А между тем из известных в настоящее время 350 пульсаров только три принадлежат к двойной звездной системе (см. ниже). До этого в астрономии не был известен какой-либо тип звезд, обладавший таким свойством. В рамках существующих представлений об образовании нейтронных звезд отсутствие двойственности у пульсаров как будто можно понять. Прежде всего достаточно велика вероятность того, что вследствие взрыва одной из компонент двойной системы пара распадается. Это будет так в случае, когда расстояние между компонентами двойной системы велико и эволюция каждой из компонент протекает более или менее независимо. Кроме того, требуется, чтобы во время взрыва большая часть массы звезды была выброшена в межзвездное пространство с достаточно большой скоростью. Однако, если взрыв имел место в «тесной» двойной системе, где расстояние между компонентами невелико, ситуация может быть совершенно другой. В этом случае, как мы видели в § 14, взрываться будет менее массивная звезда. При такой ситуации пара не будет разрушена даже тогда, когда большая часть взорвавшейся звезды будет выброшена в межзвездное пространство. Почему же не наблюдается пульсаров — компонент двойных систем, если большая часть таких систем сравнительно тесные? Советский астрофизик В. А. Шварцман выдвинул очень интересную гипотезу, объясняющую эту загадку. По его мнению, в двойной системе, особенно, если она тесная, имеет место непрерывное падение газа от нормального компонента на нейтронную звезду (так называемый «процесс аккреции»). Этот процесс может как бы «подавить» радиоизлучение нейтронной звезды и «потушить» связанный с нею пульсар. Когда последний «молод» и его «активность» велика, аккреция не в состоянии «заглушить» радиоизлучение нейтронной звезды. Но число таких очень молодых пульсаров можно буквально перечислить по пальцам одной руки. Большинство же пульсаров достаточно «стары», и если они входят в состав двойных систем, их излучение будет подавлено.

Летом 1974 г. на обсерватории Аресибо был обнаружен очень слабый пульсар PSR 1913, являющийся компонентой тесной двойной системы с периодом обращения 7^h46^m. Расстояние между компонентами немного больше радиуса Солнца. Вторая компонента должна быть либо белым карликом, либо еще более компактным объектом, заведомо не заполняющим свою полость Роша. Поэтому никакой аккреции в этой системе нет, что и делает пульсар наблюдаемым. Сама по себе аккреция газа на нейтронную звезду, находящуюся в двойной системе, может привести к чрезвычайно интересным и важным последствиям. Об этом мы будем много говорить в § 23. Следует, однако, заметить, что вопрос о причинах отсутствия двойственности у пульсаров до конца еще не ясен. Здесь у теоретиков еще много пищи для размышлений.

Рис. 21.3: «Синтетические» профили 18 пульсаров.

«Синтетические» профили пульсаров обнаруживают большое разнообразие. Хотя, как уже упоминалось выше, они показывают значительную изменчивость, для данного пульсара основные особенности таких профилей остаются неизменными и могут служить как бы его «паспортом». Например, есть такие пульсары, где профиль состоит из одного простого импульса, например, неоднократно уже упоминавшийся пульсар PSR 0833—45. Есть пульсары, у которых синтетический профиль состоит из двух, а то и трех «субимпульсов». Это хорошо видно из рис. 21.3, где приведены синтетические профили 18 пульсаров.

Интервал времени, в течение которого наблюдается излучение от пульсаров (так называемое «окно»), обычно составляет около 1/30 от периода. На рис. 21.4 приведена диаграмма, дающая зависимость ширины «окна» от периода пульсаров. Ширину «окна» удобно измерять в угловых единицах (360° соответствуют полному периоду пульсаров). На этом рисунке хорошо видно, что точки, соответствующие различным пульсарам, группируются около прямой, соответствующей ширине «окна» 9°.

Рис. 21.4: Зависимость ширины «окна» пульсаров от их периода.

Рис. 21.5: «Дрейф» импульсов в пределах «окна».

Хотя ширина «окна» для данного пульсара остается почти постоянной, отдельные детали профиля («истинного», а не усредненного «синтетического») могут в пределах «окна» перемещаться. У некоторых пульсаров такие перемещения носят удивительно регулярный характер. В таких случаях субимпульсы как бы перемещаются, «дрейфуют» в пределах «окна». Это явление впервые наблюдалось у пульсара PSR 1919+21. Сейчас уже известно довольно значительное количество пульсаров, где этот феномен наблюдается. На рис. 21.5 приводится схема, иллюстрирующая это интересное явление. Для таких пульсаров можно определить второй период, определяемый как промежуток времени, в течение которого их профиль повторяется. Обычно второй период P₂ в несколько раз длиннее основного периода P₁, определяемого вращением нейтронной звезды. Следует, однако, подчеркнуть, что второй период P₂ отнюдь не отличается той прецизионной точностью, которая характерна для основного периода P₁.

Из разных вариаций, которым подвержены профили импульсов пульсаров, едва ли не самым загадочным является полное прекращение радиоизлучения в течение значительного количества периодов. Так, излучение пульсара PSR 1237+25 внезапно «пропадает» на несколько минут, после чего «оживает» без малейшего сбоя периода. У пульсара PSR 0809+74 иногда «пропадает» несколько периодов. Такие явления, скорее всего, указывают на то, что по каким-то причинам у вращающейся нейтронной звезды внезапно прекращается радиоизлучение. В этой связи следует подчеркнуть, что детали основного процесса радиоизлучения пульсаров, приведшего к их открытию, все еще далеки от ясности. Ниже мы еще вернемся к этой проблеме.

Хотя природа радиоизлучения пульсаров пока еще довольно темна и загадочна, само по себе это излучение открыло новые, очень богатые возможности изучения межзвездной среды. Астрономы сразу же по достоинству оценили замечательную особенность этого радиоизлучения: его импульсный характер. Весьма полезным является и то, что радиоизлучение в ряде случаев оказалось линейно поляризованным. Все эти свойства пульсарного радиоизлучения позволяют использовать его как весьма эффективный зонд для изучения межзвездной среды. Прежде всего нашло себе применение явление дисперсии импульсов радиоизлучения от пульсаров в межзвездной среде. Об этом интереснейшем явлении стоит поговорить более подробно. Одинакова ли скорость распространения всех электромагнитных волн в межзвездной среде? Ведь ясно, что даже очень маленькая разница в скорости распространения электромагнитных волн различной длины в принципе могла бы дать вполне измеримый эффект, так как при огромных межзвездных расстояниях происходило бы непрерывное «накопление» разности времен прихода импульсов на разных волнах. На рубеже этого столетия наш самобытный астроном Г. А. Тихов пытался обнаружить такой эффект у затменно-двойных звезд: если бы эффект существовал, моменты звездных затмений в лучах разного цвета (например, синего и красного) должны были бы отличаться. Тогдашние сведения о природе межзвездной среды, однако, были даже не в зачаточном, а просто в нулевом состоянии. Только спустя несколько лет Гартманом были открыты линии межзвездного кальция, положившие начало изучению межзвездной среды (см. § 2). Теперь-то мы хорошо знаем, сколь несостоятельна была попытка Г. А. Тихова обнаружить межзвездную дисперсию света. Ведь плотность межзвездной среды настолько мала, что из-за обычной дисперсии даже на пути в 1000 световых лет импульс красного света опередит одновременно с ним излученный импульс синего света всего лишь на ничтожную долю секунды.

Открытие космического радиоизлучения коренным образом изменило старую проблему обнаружения дисперсии электромагнитных волн в межзвездной среде. Последнюю всегда можно рассматривать как плазму (даже в «зонах Н I», где водород не ионизован; см. § 2). Теория распространения и дисперсии радиоволн в плазме является очень хорошо разработанным отделом макроскопической физики. Приведем только выражение для показателя преломления электромагнитных волн в плазме, в которой магнитное поле отсутствует:

(21.1)

Здесь N_e — концентрация свободных электронов в плазме,  — частота излучения.

Как видно из формулы (21.1), показатель преломления плазмы для радиоволн меньше единицы. Как известно из элементарного курса физики, скорость распространения электромагнитных волн в среде с показателем преломления n 3_ф = c/n, где c = 3 10¹⁰ см/с — скорость света в вакууме. Коль скоро n меньше единицы, 3_ф > c, что как будто бы противоречит специальному принципу относительности. Никакого противоречия, однако, здесь нет. Дело в том, что 3_ф есть так называемая «фазовая скорость», относящаяся к строго определенной частоте волны. Принцип относительности утверждает, что нельзя передавать сигналы со сверхсветовой скоростью. Однако при помощи так называемой «монохроматической волны» (т. е. волны со строго определенной частотой) никакого сигнала передать нельзя. Для этого надо пользоваться группой волн, частоты которых слегка различны. Такая группа волн (или «волновой пакет») распространяется в среде с некоторой групповой скоростью, которая отличается от фазовой. В случае распространения волн в достаточно разреженной плазме групповая скорость выражается формулой

(21.2)

а время распространения группы волн

Из этих формул следует, что разница времени распространения группы волн в среде (плазме) и в вакууме (т. е. запаздывание группы) будет равна

(21.3)

где величина D = N_eR — число свободных электронов в цилиндре, площадь основания которого равна одному квадратному сантиметру, а образующая равна R. В формуле (21.3) частота выражена в мегагерцах, a R — в парсеках. Величина D называется «мерой дисперсии». Допустим теперь, что измеряется время приходов импульсов на двух частотах, слегка различающихся одна от другой на величину . Подчеркнем, что импульс радиоизлучения, содержащий набор частот, был испущен в некоторый момент времени и если бы не дисперсия межзвездной среды, он наблюдался бы одновременно на всех частотах. Наличие же дисперсии приводит к тому, что на более высоких частотах импульс будет наблюдаться раньше, чем на низких. Разница в моментах времени наблюдения импульса на частотах, различающихся на величину t, как можно показать, будет равна

(21.4)

Чтобы почувствовать, велика ли эта величина или мала, сделаем численный расчет. Допустим, что = 100 МГц, a D = 100 см^-3 пс. Тогда из формулы (21.4) следует, что при = 1 МГц t 1 с! Это очень большая величина, особенно если учесть, что 1 секунда близка к среднему периоду пульсаров. Из этого примера видно, что межзвездная дисперсия радиосигналов от пульсаров очень сильно искажает наблюдаемую структуру импульсов. В отдельных случаях, если не принять особых мер (например, не сузить полосу частот, которую принимает приемник радиоизлучения), она может «замыть» импульсы и сделать их ненаблюдаемыми. Об искажении наблюдений пульсаров межзвездной дисперсией мы уже говорили раньше.

Техника современной радиоастрономии позволяет определять величину меры дисперсии D для каждого пульсара с высокой точностью: до одной стотысячной. Такая высокая точность позволяет в отдельных случаях измерять вариации величины D. Особо интересны вариации меры дисперсии для пульсара в Крабовидной туманности. В этом случае D = 57 см^-3 пс или 1,75 10²⁰ см^-2. Однако во время периодов активности в центральной части Крабовидной туманности, связанных с образованием быстро движущихся «жгутов» (см. рис. 17.10), значение D меняется на величину D 10¹⁶ см^-2. Такое возрастание меры дисперсии обычно длится несколько недель, после чего D возвращается к первоначальному значению. Не подлежит сомнению, что описанные изменения D обусловлены прохождением радиоволн через движущиеся облака плазмы в центральной части Крабовидной туманности.

Если бы концентрация свободных электронов в межзвездной среде была известна с полной надежностью, знание D для того или иного пульсара позволило бы сразу же определить точное расстояние до него. В действительности, однако, это далеко не так. Осложняющим обстоятельством является то, что концентрация свободных электронов N_e меняется в различных областях межзвездной среды в довольно широких пределах (см. § 2).

Расчеты показывают, что в зонах Н I, занимающих большую часть межзвездной среды, N_e 3 10^-2. Это значение overlineN_e можно принять как среднюю электронную концентрацию в межзвездной среде, большая часть которой соответствует зонам неионизованного водорода Н I. С этим значением N_e и определяется сейчас расстояние до пульсаров по измеренной для них мере дисперсии, хотя такой метод в отдельных случаях может давать большие ошибки. Так, наличие очень слабой, оптически не наблюдаемой зоны H II, случайно проектирующейся на пульсар, может сделать оценку расстояния до него по измеренной мере дисперсии сильно завышенной.

Надежнее всего расстояния до отдельных пульсаров определяются по наличию в их радиоспектре линии поглощения межзвездного водорода 21 см. В этом случае применяется обычный в радиоастрономии метод, основанный на том, что межзвездный водород концентрируется к рукавам спиральной структуры Галактики (см. § 3). Однако возможности этого метода пока сильно ограничены, так как он требует, чтобы поток радиоизлучения от пульсара был довольно значительным. Только для очень немногих пульсаров расстояния были получены таким методом.

До сих пор мы не учитывали наличия мелких неоднородностей в межзвездной плазме, которые приводят к сильному рассеиванию радиоволн. Выше мы уже неоднократно говорили о важном явлении сцинтилляции радиоизлучения пульсаров. Теперь мы остановимся на этом явлении несколько подробнее.

Рис. 21.6: Схема, поясняющая сцинтилляцию радиоизлучения пульсаров.

В принципе сцинтилляции объясняются интерференцией излучения пульсара. Благодаря рассеянию на неоднородностях плазмы к наблюдателю одновременно приходит множество лучей, у которых «оптические пути» различны. Схематически это видно на рис. 21.6. На этом рисунке неоднородности в межзвездной среде (играющие роль «дифракционного экрана») для простоты изображены находящимися на одном определенном расстоянии z от наблюдателя. В действительности, конечно, они заполняют все пространство между источником и наблюдателем. Так как разность хода между различными лучами сильно зависит от длины волны, то из-за их интерференции будут наблюдаться значительные колебания интенсивности в смежных спектральных участках. Кроме того, движение наблюдателя или источника относительно «облаков» неоднородности межзвездной среды также будет приводить к изменению оптических путей лучей, что в свою очередь будет вызывать беспорядочные колебания яркости источника, наблюдаемые как сцинтилляции. Именно по этой причине из анализа сцинтилляции можно получить относительную скорость источника и неоднородностей, о чем шла речь в § 20. Если частота излучения растет, эффекты рассеяния на неоднородностях межзвездной плазмы уменьшаются и в конце концов для достаточно высоких частот пропадают совсем.

Рассмотрим теперь рис. 21.6, где через обозначен угол, в пределах которого рассеянное неоднородностями межзвездной среды излучение приходит к наблюдателю. Положим теперь, что размеры неоднородностей равны a, избыточная электронная концентрация в них равна N_e, а толщина области, где сосредоточены неоднородности, равна L. Можно показать, что имеет место соотношение

(21.5)

где r₀ e²/mc² = 10^-12 см² — классический радиус электрона.

Применение простой теории дифракции по схеме, представленной на рис. 21.6, к реальным сцинтилляциям радиоизлучения от пульсаров позволяет определить размеры неоднородностей a, которые порядка 10¹¹ см, а также избыточную электронную концентрацию в этих неоднородностях N_e, которая оказывается 10^-4 см^-3. Такая очень мелкая «рябь» в межзвездной плазме, по-видимому, есть следствие ее возмущения потоками заряженных космических лучей.

Рис. 21.7: Расплывание импульсов на разных частотах.

Другим следствием дифракции радиоволн от пульсаров на неоднородностях межзвездной среды является большая длительность импульсов на низких частотах. Это объясняется различием в групповом запаздывании разных лучей, приходящих к наблюдателю в пределах угла . Из-за такого различия (которое может достигать нескольких миллисекунд) на низких частотах импульс как бы «расплывается», т. е. его можно наблюдать больший промежуток времени. На рис. 21.7 приведена картина такого расплывания импульса на разных частотах для пульсара PSR 1946+35.

Так как радиоизлучение пульсаров поляризовано, а межзвездная плазма намагничена, следует ожидать изменения поляризационных характеристик при прохождении этого излучения через среду. Наиболее интересным эффектом взаимодействия линейно поляризованного излучения и намагниченной плазмы является фарадеевское вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, длина которой , дается формулой

(21.6)

где выражена в метрах, H — составляющая магнитного поля межзвездной среды, параллельная направлению распространения волны, l — расстояние от источника радиоизлучения до наблюдателя, выраженное в парсеках. Сравнивая направление электрического вектора в волне Для двух частот, можно непосредственно из наблюдений найти произведение R = N_eHl, называемое «мерой вращения». С другой стороны, для того же пульсара также из наблюдений определяется «мера дисперсии» D = N_el. Отсюда непосредственно определяется среднее значение «продольной» составляющей вектора межзвездного поля

(21.7)

Таким образом, было измерено уже несколько десятков значений H, соответствующих направлениям на различные пульсары. Почти во всех случаях H оказывается порядка (2 3) 10^-6 Э. Из всех существующих в настоящее время методов измерения величины межзвездного магнитного поля (например, эффект Зеемана в линии 21 см, изучение небольшой оптической поляризации света звезд, вызванной межзвездными пылинками и др.) этот метод является самым надежным и наглядным.

Рис. 21.8: Распределение магнитного поля межзвездной среды по небу, полученное из анализа фарадеевского вращения радиоизлучения пульсаров (координаты галактические).

Если направление магнитного поля меняется, то изменится и направление вращения плоскости поляризации. Так как межзвездное магнитное поле не вполне хаотично, а частично упорядочено (например, его силовые линии имеют тенденцию вытягиваться вдоль спиральных рукавов Галактики), то можно ожидать, что для больших участков неба направление фарадеевского вращения будет одинаково. Результаты наблюдений, подтверждающие эту картину, приведены на рис. 21.8. Черные кружки означают, что среднее значение межзвездного магнитного поля в направлении на соответствующий пульсар направлено к наблюдателю, белые — от наблюдателя. Величина кружков пропорциональна напряженности межзвездного магнитного поля. Вместе с тем рис. 21.8 дает представление о возможностях современной пульсарной радиоастрономии. Таким образом, открытие пульсаров, безотносительно к их природе, дало астрономам мощный метод исследования различных свойств межзвездной среды.

После того как в предыдущих параграфах было рассказано об основных наблюдательных фактах, касающихся пульсаров, уместно перейти к обсуждению существующих теорий. В какой-то степени мы уже осветили раньше теоретический аспект проблемы пульсаров, когда обсуждалось их отождествление с быстро вращающимися нейтронными звездами. Несомненно, что это отождествление является выдающимся достижением современной астрономии. Но, конечно, мало доказать, что пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды. Необходимо понять причину их фантастически мощного электромагнитного излучения. Этот вопрос имеет принципиальное значение. Хотя феномен нейтронной звезды теоретически известен астрономам вот уже 40 лет, полной неожиданностью оказалась невероятно высокая активность этих объектов.

В § 19 уже говорилось, что спустя свыше 30 лет после теоретического обоснования необходимости существования нейтронных звезд и незадолго до открытия пульсаров Пиддингтон, Кардашев и вслед за ними Пачини пришли к выводу, что нейтронные звезды должны быстро вращаться и быть сильно намагниченными. Но каким же образом все-таки излучает радиоволны такой объект? Этот вопрос оказался далеко не простым. Надо прямо сказать, что на сегодняшний день не существует общепризнанной количественной теории радиоизлучения пульсаров. Сказанное не означает, что теоретики за 15 лет открытия пульсаров ничего не сделали в этой области. Несомненно, продвижение есть, и многое в какой-то степени прояснилось. Но задача эта на самом деле оказалась исключительно трудной. Слишком «экстремальны» физические условия в пульсарах. Их, например, невозможно в настоящее время моделировать в лабораторных условиях. Чудовищно высокая напряженность магнитного поля, о чем уже речь шла выше, радикально меняет картину распространения радиоволн в плазме. Наконец, большой теоретической проблемой является понимание структуры физических условий недр нейтронной звезды. Грубая модель обсуждалась выше. Но очень важно и вместе с тем необычайно трудно понять причину «звездотрясений», да и вращение сверхтекучего тела вокруг своей оси ставит немало проблем. Ведь из-за отсутствия вязкости и «сцепления» между частицами такое вещество, казалось бы, не должно вращаться как твердое тело...

Итак, нерешенных проблем в физике нейтронных звезд более чем достаточно. Поэтому, освещая современное состояние теории пульсаров, мы будем останавливаться только на самых простых и хорошо апробированных положениях. Заметим, однако, что даже и здесь отсутствует единство взглядов ученых и однозначность в истолковании результатов наблюдений.

Прежде всего следует сказать хотя бы несколько слов об ожидаемых теоретических свойствах нейтронных звезд. Сама возможность существования нейтронных звезд как стабильных конфигураций, находящихся в состоянии равновесия под действием сил гравитации и давления, была высказана еще в 1934 г. американскими астрономами Цвикки и Бааде, которые предположили, что нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых звезд. Долгие годы после этого было совершенно не ясно, образуются ли действительно нейтронные звезды или они представляют собой только изящную математическую конструкцию. Между тем теоретики продолжали исследовать сверхплотное состояние звездного вещества. Уже давно стало ясно, что гипотетические нейтронные звезды не могут представлять собой однородной конфигурации, другими словами, физическое состояние нейтронной звезды должно меняться от ее периферии к центру. Нельзя также считать, что вещество такой звезды состоит только из очень плотно упакованных нейтронов. Во всей ее толще в качестве «примеси» к нейтронам должны быть протоны и электроны. Вблизи поверхности должны доминировать тяжелые ядра, а в самых центральных областях — сверхтяжелые элементарные частицы — гипероны, которые в условиях лабораторных экспериментов крайне нестабильны. Выяснилось, что эти ядра в наружных слоях нейтронной звезды должны образовывать кристаллическую решетку, т. е. периферия нейтронной звезды представляет собой твердое тело. Между тем внутренние ее слои должны представлять собой сверхтекучую жидкость.

Рис. 22.1: Схема внутреннего строения нейтронной звезды.

Следует подчеркнуть, что при построении модели нейтронной звезды теоретики столкнулись с большими трудностями, связанными главным образом с недостаточностью наших знаний о природе ядерных сил, действующих между частицами, образующими нейтронную звезду. Тем не менее «полукачественную» модель нейтронной звезды все же удалось построить. На рис. 22.1 схематически показана стратификация вещества в нейтронной звезде, как она представляется в настоящее время. Вблизи поверхности вещество состоит главным образом из очень плотно «упакованных» ядер железа. Кроме того, там имеется сравнительно небольшое количество ядер гелия и других легких элементов, а также очень плотный вырожденный электронный газ, подобный тому, какой имеется в недрах белых карликов (см. § 10). Присутствие электронов необходимо для компенсации положительного объемного заряда ядер. По мере продвижения в глубь нейтронной звезды ее плотность растет и электроны как бы «вдавливаются» в ядра. При этом образуются богатые нейтронами ядра, более тяжелые, чем ядра железа. При плотности вещества около 3 10¹¹ г/см³ эти тяжелые ядра перестают быть устойчивыми. Они начинают выбрасывать нейтроны и постепенно по мере продвижения в глубь вещество становится смесью очень плотно упакованных нейтронов, в то время как тяжелые ядра уже играют роль сравнительно небольшой «примеси». Наконец, при плотности около 5 10¹³ г/см³ тяжелые ядра совсем исчезают. При больших плотностях, уже приближающихся к ядерной плотности, вещество состоит преимущественно из очень плотно упакованных нейтронов со сравнительно небольшой примесью протонов и электронов. При плотности 3 10¹⁴ г/см³ концентрация заряженных элементарных частиц — протонов и электронов — составляет еще несколько процентов от концентрации нейтронов. Наконец, в самых центральных областях нейтронной звезды появляются и начинают играть существенную роль гипероны (прежде всего сигма-минус-гипероны, обозначаемые символом ^-), а также мю-мезоны, которые вместе с нейтронами, электронами и протонами являются там доминирующими частицами. Не исключено, что в самых центральных областях нейтронной звезды вещество состоит из очень плотно упакованных кварков. Следует, однако, подчеркнуть, что физические условия в самых центральных областях нейтронной звезды известны сейчас особенно плохо. Слишком еще несовершенны наши знания о характере взаимодействия этих частиц в столь необычных условиях.

Недостаточность знаний физических условий в самых центральных областях нейтронных звезд делает пока далекими от совершенства их модели, т. е. построение теоретической зависимости радиусов нейтронных звезд от их массы. Тем не менее кое-какие результаты теоретиками уже получены. Например, оказалось, что чем меньше масса нейтронной звезды, тем больше ее радиус.

В этой связи следует подчеркнуть, что теория еще не может указать на область допустимых значений масс нейтронных звезд, хотя большая часть специалистов полагает, что массы их должны быть сравнительно невелики, в пределах 0,15 1,5M. Этот важный вопрос пока еще далек от ясности.

Рис. 22.2: Теоретическая зависимость радиуса и момента инерции нейтронных звезд от их массы.

На рис. 22.2 приведена од на из существующих моделей нейтронных звезд, дающая зависимость их радиуса от массы. Для масс больших, чем 1M, разные модели дают разные зависимости R(M), что объясняется незнанием точного уравнения состояния вещества для плотности, превышающей 10¹⁵ г/см³ (сравните с зависимостью «масса — радиус» для белых карликов на рис. 10.1).

Большой интерес представляют уже упоминавшиеся в предыдущем параграфе «звездотрясения», т. е. скачки в периоде пульсаров PSR 0831—45 (Паруса X) и NP 0531 (Краб). У первого пульсара наблюдались два таких скачка, разделенных промежутком времени больше двух лет, причем относительное изменение периода достигало 10^-6. У NP 0531 такие скачки значительно меньше. Вероятнее всего «звездотрясения» связаны со скачкообразным изменением момента инерции вращающейся нейтронной звезды. Такое изменение может быть достигнуто, если нейтронная звезда уменьшает свой радиус на величину 0,01 см. Как можно понять такое явление?

Из-за быстрого вращения равновесной конфигурацией нейтронной звезды должна быть фигура, близкая к эллипсоиду вращения. Но вследствие непрерывного замедления вращения должны меняться параметры этого эллипсоида (он должен становиться все менее сплюснутым). Однако жесткость твердой «коры» нейтронной звезды препятствует «плавному» изменению ее фигуры. По этой причине в коре накапливаются упругие натяжения, и после достижения предела прочности происходит скачкообразная деформация коры, носящая характер сдвига. Таким образом, изучение «звездотрясений» позволяет глубже понять свойства нейтронных звезд.

На рис. 22.2 приведена также теоретически рассчитанная характеристика нейтронной звезды — ее момент инерции I, определяющий кинетическую энергию вращения (E = , где  — угловая скорость). Для допустимых значений массы нейтронных звезд (0,15 < M < 1 2M) 7 10⁴³ < I < 7 10⁴⁴ г/см².

Из наблюдаемого увеличения периодов пульсаров со временем можно получить , а следовательно, и = .

Скорость уменьшения кинетической энергии вращения пульсара

(22.1)

Первая задача физики пульсаров — понять, почему вращающиеся нейтронные звезды тормозятся, тем самым непрерывно выделяя энергию. Простейшее объяснение этого явления сводится к тому, что нейтронные звезды сильно намагничены. Тогда вращающаяся нейтронная звезда, находящаяся в вакууме, будет излучать магнитно-дипольное излучение, частота которого равна частоте вращения, а мощность определяется формулой

(22.2)

где  — угол между магнитной осью и осью вращения, H₀ — напряженность магнитного поля на поверхности пульсара. Например, пульсар в Крабовидной туманности NP 0531, для которого = 200 с^-1, = 2,4 10^-9, теряет энергию = 3 10³⁸ эрг/с. Если причина торможения — магнитно-дипольное излучение, то, приравнивая = L_m, найдем, что H₀ 3 10¹² Э. Другой причиной торможения этого пульсара может быть излучение им гравитационных волн (см. § 24). Для этого надо только предположить, что фигура нейтронной звезды слегка асимметрична, т. е. представляет собой трехосный эллипсоид. В этом случае мощность гравитационного излучения вращающейся нейтронной звезды определяется формулой

(22.3)

где I — момент инерции, а _e — эксцентриситет экваториального эллипса нейтронной звезды. Частота гравитационных волн, как оказывается, равна удвоенной частоте вращения.

Как видно из этой формулы, зависимость мощности гравитационного излучения от угловой скорости значительно более сильная, чем в случае магнитно-дипольного излучения. Поэтому заметный эффект может быть только у очень быстро вращающихся пульсаров, например, у NP 0531 (см. об этом в § 24). В том случае, когда центр магнитного диполя не совпадает с центром нейтронной звезды, излучение будет асимметричным. В этом случае звезда приобретет импульс отдачи в направлении от вращения. Не этим ли объясняются высокие скорости пульсаров?

Если бы торможение вращающихся нейтронных звезд было обусловлено их магнитно-дипольным излучением, то, как можно показать, ³. Между тем статистический анализ большого количества пульсаров с известными и дает эмпирическую зависимость ^3,4. У пульсара NP 0531, для которого и наблюдались особенно тщательно, эмпирическая зависимость имеет вид ^2,7. Это означает, что рассмотренная выше простая модель торможения намагниченных вращающихся нейтронных звезд недостаточна. И прежде всего предположение, что нейтронная звезда находится в вакууме, заведомо не выполняется. Тем самым задача становится значительно более сложной.

Вращающийся намагниченный проводник создает в окружающем пространстве электрическое поле. Составляющая этого поля, перпендикулярная к поверхности проводника, будет стремиться «вырвать» из него электроны и ионы. В реальных условиях нейтронной звезды напряженность электрического поля достигает огромных значений. К тому же температура поверхности нейтронной звезды достаточно высока. По этим причинам пространство вокруг нейтронной звезды заполнится большим количеством заряженных частиц, которые, двигаясь по силовым линиям магнитного поля, будут вместе с нейтронной звездой с той же угловой скоростью вращаться вокруг ее оси. Такое «твердотельное» вращение должно иметь место вплоть до некоторого критического расстояния от оси вращения, т. е. внутри цилиндра. Радиус этого цилиндра R₁ = c/ определяется условием, что на его поверхности скорость твердотельного вращения равна скорости света[ 54 ]. Однако если плотность плазмы вокруг нейтронной звезды достаточно велика, область ее твердотельного вращения будет меньше и определится условием равенства плотностей магнитной энергии и кинетической энергии плазмы.

Итак, вращающаяся намагниченная нейтронная звезда окружает себя довольно плотной магнитосферой, в электродинамическом смысле являющейся ее продолжением. Как показывают расчеты, электрические заряды в магнитосфере нейтронной звезды должны быть разделены, т. е. там должны быть значительные объемные заряды. Плотность зарядов определяется формулой

(22.4)

Например, на поверхности пульсара NP 0531, где H 3 10¹² Э, a = 200 с^-1, n_-- n₊ 10¹³ см^-3, т. е. довольно значительная. Конечно, полная плотность плазмы около поверхности этого пульсара должна быть гораздо больше.

Рис. 22.3: Схема строения магнитосферы пульсара. Rc — радиус светового цилиндра.

Заряженные частицы, предварительно ускорившись электрическим полем до релятивистских энергий, будут «вытекать» из магнитосферы на бесконечность по «открытым» силовым линиям, причем заряды разных знаков будут вытекать по разным линиям. На рис. 22.3 приведена схема магнитосферы пульсара для простейшего случая, когда магнитная ось совпадает с осью вращения. В случае, когда оси не совпадают, качественно структура магнитосферы остается такой же.

Около светового цилиндра, который пересекают уходящие в бесконечность магнитные силовые линии, последние уже сильно деформированы потоками вытекающей из магнитосферы пульсара релятивистской плазмы. Поток энергии частиц и магнитного поля, вытекающей через световой цилиндр, можно приближенно оценить формулой

(22.5)

где _p = c² — плотность энергии релятивистских частиц. Если магнитное поле дипольно, то H = H₀R³/R₁³; следовательно,

(22.6)

т. е. получается формула, сходная с формулой для мощности магнитно-дипольного излучения в вакууме (22.2). Но, конечно, физическое содержание ее другое: основная часть энергии покидает магнитосферу пульсара в форме потока релятивистских частиц.

Теория позволяет найти только поток энергии этих частиц. Без дополнительных предположений нельзя оценить количество вытекающих из магнитосферы пульсара частиц и среднюю энергию каждой частицы, не говоря уже об энергетическом спектре этих частиц. Рассмотрим конкретно ситуацию в случае пульсара NP 0531. Формула (22.4) в сочетании с законом изменения (n_-- n₊) как R^-3 позволяет определить нижнюю границу потока заряженных частиц через поверхность светового цилиндра этого пульсара:

(22.7)

С другой стороны, несомненно, что источником энергии излучения всей Крабовидной туманности, мощность которого 10³⁸ эрг/с, является корпускулярное излучение пульсара NP 0531. Далее, примем во внимание, что энергия релятивистских электронов, находящихся в туманности, лежит в пределах 10¹⁰—10¹⁴ эВ. Отсюда следует, что поток заряженных частиц через световой цилиндр будет 10³⁶—10⁴⁰, а концентрация их там 10⁹—10¹³ см^-3, т. е. довольно значительная величина.

Таким образом, логическим следствием электродинамики намагниченных вращающихся нейтронных звезд является неизбежность образования вокруг них мощной протяженной магнитосферы со значительным разделением зарядов. Столь же неизбежен вывод о необходимости «пульсарного ветра», т.е. потоков заряженных частиц, вытекающих из магнитосферы по уходящим в бесконечность силовым линиям. Заметим, что этот вывод отнюдь не является тривиальным. До открытия пульсаров молчаливо предполагалось, что атмосферы нейтронных звезд должны иметь совершенно ничтожную протяженность. Например, даже при температуре такой атмосферы 10⁶ К высота однородной водородной атмосферы, вычисленная по известной барометрической формуле h = kT/m_Hg = kTR²/m_HGM, равна 1 см (g = GM/R² — ускорение силы тяжести на поверхности нейтронной звезды). Столь малое значение h означало бы, что плотность атмосферы нейтронной звезды падала бы практически до нуля на расстоянии в несколько десятков сантиметров. В то же время огромный гравитационный потенциал нейтронных звезд является причиной образования вокруг них очень глубокой «потенциальной ямы», куда должен стекаться межзвездный газ. При некоторых упрощающих предположениях из формулы, описывающей распределение плотности в окрестностях нейтронной звезды, следует, что при r = R = 10⁶ см и T 10⁴n 10⁴n, наличие «пульсарного ветра» существенно меняет эту картину. В частности, в такой магнитосфере могут происходить процессы, сопровождаемые неравновесным радиоизлучением огромной мощности.

Перейдем теперь к анализу самых общих характеристик этого радиоизлучения. Речь пойдет о природе «окна» излучения, синтетического профиля импульсов, а также о тех характерных вариациях поляризации излучения, которые были описаны в § 21. Что касается природы «окна», то она в основном объясняется «эффектом маяка» (см. рис. 20.1). Это сравнение очень точно. Пучок излучения от некоторого яркого «пятна», жестко связанного с вращающейся нейтронной звездой, описывает в пространстве гигантский конус. Когда пучок проходит через наблюдателя, последний фиксирует импульс радиоизлучения. Геометрической характеристикой пучка является его диаграмма направленности. В предельных случаях последняя может быть «карандашной» или «веерной» (рис. 22.4). В первом случае угловые размеры пучка по всем направлениям приблизительно одинаковы. Во втором случае угловые размеры пучка по одной координате сравнительно невелики, между тем как по другой координате, перпендикулярной к первой, они могут быть равны 360°. С точки зрения механизмов излучения, могут реализовываться как «карандашные», так и «веерные» диаграммы.

Рис. 22.4: Схема «карандашной» (слева) и «веерной» диаграмм направленности излучения.

Из наблюдения профиля импульсов следует, что ширина «окна» около 9° (см. § 21). Однако, как правило, эти профили имеют довольно богатую структуру, в частности, они состоят из значительно более узких субимпульсов. Возникает вопрос: чем объясняются эти субимпульсы? В принципе имеются две возможности объяснения этого эффекта: а) излучение исходит из одной очень маленькой области, жестко связанной с вращающейся нейтронной звездой. В этом случае субимпульсы следует объяснить сложным, как бы «изрезанным» характером диаграммы излучения; б) излучение каждого субимпульса исходит из определенного «пятна» на вращающейся нейтронной звезде и имеет простую (т. е. не «изрезанную») диаграмму. Наличие нескольких субимпульсов означает, что излучающие «пятна» разбросаны по довольно значительной области вращающейся нейтронной звезды. Тот факт, что субимпульсы имеют тенденцию сохранять свою «индивидуальность» в течение нескольких периодов вращения и, кроме того, имеют определенную поляризацию, говорит в пользу второй возможности. Таким образом, характерным «элементом» радиоизлучения пульсара является субимпульс, диаграмма излучения которого проста, а состояние поляризации определенно. Наблюдаемый профиль пульсара определяется последовательностью таких субимпульсов, проходящих через пульсарное «окно».

Рис. 22.5: Изменения вектора поляризации оптического излучения пульсара NP0531.

При такой интерпретации относительная длительность импульсов определяется протяженностью области, где находятся излучающие «пятна». Что касается «интеримпульсов», наблюдаемых у некоторых пульсаров, то они объясняются «пятнами», находящимися совсем в другой (почти диаметрально противоположной) области вращающейся нейтронной звезды. Наблюдаемое у пульсара в Крабовидной туманности (а также у некоторых других пульсаров) сравнительно слабое излучение между импульсами следует объяснить распределением излучающих областей по большому объему в окрестностях нейтронной звезды.

Какая же причина «держит» излучающие пятна в строго определенных областях вокруг вращающейся нейтронной звезды? Очевидно, что такой причиной может быть только очень сильное магнитное поле. Естественно также связать наблюдаемую поляризацию и ее изменения по мере прохождения субимпульсов через пульсарное «окно» с изменением ориентации магнитного поля по отношению к наблюдателю из-за вращения нейтронной звезды.

Очень большие и характерные изменения направления вектора поляризации оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности (рис. 22.5) и радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 (рис. 22.6) проще всего объяснить «карандашной» диаграммой. В обоих этих случаях через пульсарное «окно» проходит, по существу один субимпульс; следовательно, излучение исходит от сравнительно небольших излучающих пятен. Вероятнее всего, что эти «пятна» связаны с магнитными полюсами соответствующих нейтронных звезд. Расчеты, которые мы здесь приводить не будем, показывают, что вращение вектора магнитной оси полностью объясняет наблюдаемые быстрые вариации направления поляризации. Применительно к пульсару в Крабовидной туманности эта теория дает интересную дополнительную информацию. Из скорости изменения направления линейной поляризации оптического излучения этого пульсара следует, что его магнитная ось почти перпендикулярна к оси вращения, причем наименьший угол, образуемый магнитной осью с лучом зрения, равен всего лишь 2°. Любопытно отметить, что радиоизлучение от пульсара в Крабовидной туманности не показывает таких закономерных изменений направления поляризации, как оптическое излучение.

Рис. 22.6: Изменения вектора поляризации радиоизлучения пульсара PSR 0833—45 за время наблюдения одного импульса.

Как же образуются пучки направленного излучения, которые вращаются в пространстве, будучи «привязаны» к вращающейся нейтронной звезде? Как это ни странно, на этот четкий вопрос однозначного ответа пока нет. Разные группы исследователей придерживаются разных мнений.

Так, например, первый астроном, понявший природу пульсаров, Голд, образование пучка излучения связывает с магнитосферой нейтронной звезды, жестко с нею соединенной и вместе с ней вращающейся. Гипотеза Голда ясна из схемы, изображенной на рис. 20.1. Ионизованный газ (плазма) находится в магнитосфере пульсара и вращается вместе с последней с той же угловой скоростью, что и нейтронная звезда. По мере приближения (изнутри) к поверхности «светового цилиндра» скорость вращения приближается к скорости света. При этом в силу эффекта специальной теории относительности, вращающиеся вокруг оси нейтронной звезды электроны плазмы будут излучать частоты, близкие к частоте (E/mc²)², где E = mc² = mc² — энергия электронов, вращающихся со скоростью 3, достаточно близкой к c. Релятивистские заряженные частицы всегда излучают внутри некоторого конуса, ось которого совпадает с вектором их мгновенной скорости, а угловой «раскрыв» = mc²/E. Всегда можно представить, что около поверхности светового цилиндра плазма распределена не равномерно, а концентрируется в отдельных облаках. Последнее обстоятельство и объясняет наличие пучков излучения.

В какой-то мере сходную «кинематическую» картину радиоизлучения пульсаров развивали и другие авторы, особенно В. В. Железняков и Г. Смит. Согласно этой картине в магнитосфере пульсара вблизи светового цилиндра имеется область, заполненная плазмой, являющейся источником неравновесного, почти изотропного радиоизлучения. При твердотельном вращении магнитосферы вместе с находящимся в ней облаком из-за эффекта Доплера будет резко увеличиваться частота излучения, когда последнее направлено к наблюдателю. При этом очень сильно будет меняться интенсивность излучения. Таким образом, с точки зрения внешнего наблюдателя такое излучение будет остронаправленным.

Несомненным достоинством «кинематических» теорий радиоизлучения пульсара является возможность непринужденного объяснения одинаковости диаграммы излучения для разных частот. Особенно это относится к пульсару в Крабовидной туманности, импульсы рентгеновского излучения которого практически одновременны с импульсами радиоизлучения. Однако объяснить поляризацию излучения пульсаров и характерные изменения ее со временем очень трудно в рамках только одного «кинематического» механизма.

Совершенно другую геометрию излучения предложили Радхакришнан и Кук. В развитой ими картине излучение вовсе не обязательно связывать с поверхностью светового цилиндра. Излучающим агентом также являются релятивистские электроны, но они релятивистские «сами по себе», а не потому, что движутся (вращаются) с почти световой скоростью, находясь около поверхности светового цилиндра (как в модели Голда). Релятивистские электроны в картине Радхакришнана — Кука движутся в области магнитных полюсов нейтронной звезды и излучают благодаря некоторой модификации синхротронного механизма. В отличие от обычного синхротронного механизма, где релятивистские электроны движутся по спирали вокруг магнитных силовых линий, причем угол между векторами скорости и поля достаточно велик, здесь электроны движутся практически точно по силовым линиям, а излучают только благодаря кривизне последних. В этом смысле рассмотренный выше механизм Голда также, конечно, является синхротронным.

Хотя применение «обобщенного» (так называемого изгибного) синхротронного механизма к радиоизлучению пульсаров представляет несомненный интерес, так как довольно непринужденно объясняет важнейшее его свойство, а именно — направленность, при более детальном рассмотрении обнаруживаются серьезные трудности. Дело в том, что ширина пучков, определяющая длительность субимпульсов, должна хотя и слабо, но все же зависеть от частоты излучения. Ничего подобного, однако, не наблюдается. На всех частотах длительность субимпульсов одинакова. Имеются также серьезные расхождения между наблюдаемыми свойствами поляризации пульсарного радиоизлучения и ожидаемыми согласно той или иной модификации синхротронного механизма.

Резюмируя, следует сказать, что общепринятой теории радиоизлучения пульсаров пока еще нет, хотя отдельные ее элементы, по-видимому, имеются. Вся сложная картина радиоизлучения пульсаров должна определяться совокупным влиянием большого числа факторов: сильного магнитного поля, коллективным взаимодействием заряженных частиц и полей и, конечно, движением плазмы с релятивистской скоростью около внутренней границы светового цилиндра.

До сих пор мы в основном обсуждали вопрос о «геометрии» излучения. Теперь следует остановиться на тех физических процессах, которые могут быть его причиной. Прежде всего рассмотрим вопрос о мощности излучения пульсаров. Последнюю можно найти, измеряя поток излучения во всем радиодиапазоне в течение импульса, зная отношение длительности импульса и период у пульсара и задаваясь видом диаграммы излучения (карандашная, веерная). Полученная таким образом мощность для разных импульсов меняется в очень широких пределах — от 10²⁷ до 10³¹ эрг/с или, соответственно, от 10¹⁴ до 10¹⁸ МВт. Эту мощность любопытно сравнить с совокупной мощностью всех земных радио- и телепередатчиков, работающих в том же диапазоне частот, которые при условии, что они работают одновременно, излучали бы несколько тысяч мегаватт. Как видим, естественные космические радиопередатчики неизмеримо мощнее искусственных земных.

Особняком стоит пульсар в Крабовидной туманности. Наряду с радиоизлучением, средняя мощность которого 10³¹ эрг/с (на короткое время она иногда увеличивается в сотню раз), этот пульсар излучает также в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Мощность его оптического излучения, которое отличается удивительной стабильностью, достигает 10³⁴ эрг/с, что в 2,5 раза превосходит мощность излучения Солнца. Но основная мощность излучается этим пульсаром в рентгеновском и гамма-диапазонах. Излучаемая мощность в «жестких» квантах этого диапазона достигает значения 3 10³⁷ эрг/с, что в десять тысяч раз превосходит мощность излучения Солнца на оптических частотах и близка к мощности излучения звезд-гигантов на частотах оптического, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.

Представляет интерес оценить для пульсаров мощность излучения единицы объема в излучающей области. Учитывая геометрию пульсаров, можно сделать вывод, что протяженность излучающей области «в глубину» не может превосходить радиуса светового цилиндра. С другой стороны, из длительности импульсов следует, что проекция этой области на поверхность нейтронной звезды должна иметь линейные размеры порядка нескольких десятых ее радиуса. Отсюда, в частности, следует, что у пульсара в Крабовидной туманности объем излучающей области не превосходит 10²³ см³. Поэтому излучаемая единицей объема мощность в рентгеновском и гамма-диапазонах у этого пульсара превосходит 10¹⁴ эрг/см³ с. Это фантастически большая величина, в миллиарды раз превосходящая мощность генерации термоядерной энергии в единице объема звездных недр.

Важной характеристикой интенсивности излучения является яркостная температура (см. § 4). Если для оптического излучения пульсара в Крабовидной туманности яркостная температура близка к десяти миллиардам кельвинов, а в рентгеновском диапазоне она равна «всего лишь» сотне тысяч кельвинов, то в радиодиапазоне она достигает огромной величины 10²⁸ кельвинов!

Непомерно мощное радиоизлучение пульсара в Крабовидной туманности (а также всех других пульсаров) совершенно исключает возможность его объяснения суммой независимо излучающих заряженных частиц, как это имеет место в случае синхротронного или теплового излучения. С аналогичной ситуацией астрономы встретились еще в сороковых годах, когда радиоастрономические наблюдения обнаружили гигантские всплески солнечного радиоизлучения. Изучение этого интересного явления заставило сделать вывод, что оно возникает при упорядоченных «когерентных» движениях электронов в сравнительно больших объемах плазмы. При таких упорядоченных движениях элементарных зарядов складываются амплитуды излучаемых ими элементарных электромагнитных волн. Следовательно, интенсивность результирующей электромагнитной волны от всей системы излучающих зарядов (пропорциональная квадрату результирующей амплитуды) будет в огромное число раз больше суммы интенсивностей элементарных волн, излучаемых отдельными зарядами. В лабораторных условиях хорошим примером радиоизлучения упорядоченно (когерентно) движущихся электрических зарядов являются обычные передающие антенны. Например, передающая антенна с эффективной поверхностью в десять тысяч квадратных метров может излучать мощность в несколько мегаватт. Если бы вся поверхность, окружающая магнитосферу пульсара в Крабовидной туманности, была покрыта такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы всего лишь 10⁹ МВт, т. е. в десять миллиардов раз меньше мощности радиоизлучения этого пульсара. Даже если бы весь объем его магнитосферы был плотно заполнен такими передающими антеннами, то мощность излучения была бы в сотню тысяч раз меньше наблюдаемой! Этот пример демонстрирует всю ничтожность творения рук и мозга людей по сравнению с естественными процессами в природе.

Исключительно высокая яркостная температура может быть реализована также и в том случае, когда механизм радиоизлучения представляет собой некоторую разновидность процесса мазерного усиления. В § 4 мы уже познакомились с естественными космическими мазерами, которые так неожиданно оказались связанными с процессом звездообразования. В этом случае мазерное усиление имеет место только для узкого интервала частот, соответствующего радиолиниям молекул OH и H₂O. Однако процесс мазерного усиления при некоторых условиях может происходить и в очень широком спектральном интервале, совершенно не связанном с той или иной радиолинией.

Следует еще раз подчеркнуть необычность условий, в которых имеет место генерация и распространение радиоволн. Например, напряженность электрического поля в пульсарном излучении в области генерации доходит до нескольких миллиардов вольт/метр. Отсюда непосредственно следует вывод, что это «собственное» электрическое поле «само по себе» ускоряет «породившие» его электроны до релятивистских энергий. В этой сложной ситуации такие элементарные понятия как показатель преломления, суперпозиция волн и др. уже теряют обычный смысл.

Резюмируя, следует сказать, что радиоизлучение пульсаров представляет собой некоторый когерентный процесс, возникающий в весьма необычных условиях. Для того чтобы такое излучение как-то возникло, необходимо, чтобы в магнитосфере пульсаров было достаточное количество свободных электронов. Необходимость существования свободных электронов в магнитосфере пульсаров следует из основных законов электродинамики (см. выше). Кроме того, имеется довольно мощный поток плазмы, вытекающий с поверхности нейтронной звезды. Это явление мы назвали «пульсарным ветром». Концентрация частиц в таком потоке может быть довольно значительной. Подробнее об этом мы уже говорили применительно к пульсару, находящемуся в Крабовидной туманности. К сожалению, при современном уровне теории неясно, в какой области магнитосферы пульсаров происходит генерация радиоволн. Это может быть слой около магнитных полюсов, непосредственно примыкающий к поверхности нейтронной звезды, или же далекая периферия магнитосферы около внутренней поверхности светового цилиндра. Предстоит еще очень большая работа как наблюдателей, так и теоретиков, чтобы природа радиоизлучения пульсаров, связанная с «активностью» нейтронных звезд, была понята.

Важной особенностью плазмы магнитосферы пульсаров является то, что она состоит не из электронов и положительных ионов (как обычная плазма), а из электронов и позитронов. Само образование такой плазмы можно себе представить следующим образом. Вблизи твердой поверхности сильно намагниченной быстровращающейся нейтронной звезды возникает электрическое поле с составляющей вдоль магнитного поля, отличной от нуля. Это поле вырывает из поверхностных слоев нейтронной звезды первичные заряженные частицы и ускоряет их до огромных значений энергии 10⁷—10⁸mc². Двигаясь вдоль искривленных магнитных силовых линий, эти частицы генерируют кванты гамма-излучения. В сильном магнитном поле нейтронной звезды каждый такой квант распадается на электрон и позитрон, которые, в свою очередь, порождают гамма-кванты «изгибного» излучения. Таким образом, в магнитосфере пульсара непрерывно образуются электронно-позитронные лавины, «питающие» находящуюся там плазму. Потоки этой специфической плазмы все время движутся с релятивистскими скоростями от поверхности нейтронной звезды наружу. Когерентно излучающие сгустки такой плазмы и являются «материальным носителем» радиоизлучения пульсаров.

Рис. 22.7: Спектр источника с синхротронной реабсорбцией.

Несомненно, что природа высокочастотного излучения пульсара NP 0531, находящегося в Крабовидной туманности, радикально отличается от природы его радиоизлучения. Это ясно видно хотя бы из общего спектра электромагнитного излучения этого пульсара, приведенного на рис. 20.6. Радио- и высокочастотный спектры никак не «сшиваются», т. е. высокочастотное излучение (в котором, кстати сказать, заключена подавляюще большая часть энергии) никоим образом не является «продолжением» радиоизлучения этого пульсара. Кроме того, между ними имеется еще одно фундаментальное различие: высокочастотное излучение весьма постоянно, т. е. профиль импульсов не меняется со временем, радиоизлучение же переменно и по-другому поляризовано. Все факты говорят о том, что в то время как радиоизлучение NP 0531, так же, как и радиоизлучение других пульсаров, обусловлено неким, пока неизвестным «когерентным» механизмом, высокочастотное излучение есть сумма излучений отдельных релятивистских электронов, движущихся в магнитосфере пульсара, т. е. является синхротронным. Эго значительно упрощает задачу теоретического истолкования наблюдаемых свойств оптического и рентгеновского излучения NP 0531.

В основу теории высокочастотного излучения пульсара в Крабовидной туманности, по нашему мнению, следует положить знаменательный факт «завала» его спектра в ближней инфракрасной области. Какова причина этого явления? Автор настоящей книги еще в 1970 г. привел аргументы в пользу того, что этот «завал» следует объяснить явлением «синхротронной реабсорбции», в то время как само высокочастотное излучение пульсара NP 0531 объясняется обычным «синхротронным» механизмом, являющимся причиной основной части излучения Крабовидной туманности во всем диапазоне электромагнитных волн (см. § 17). Само явление синхротронной реабсорбции состоит в том, что при очень большой плотности релятивистских частиц космический объект перестает быть прозрачным для «собственного» синхротронного излучения. Эта непрозрачность начинается на некоторой частоте и прогрессивно растет в сторону низких частот. По этой причине интенсивность на низких частотах как бы «срезается» и синхротронный спектр источника приобретает вид, изображенный на рис. 22.7. На этом же рисунке для сравнения прерывистой линией изображен спектр того же источника при условии его прозрачности, т. е. при отсутствии синхротронной реабсорбции. Мы видим, что характер высокочастотного спектра пульсара в Крабовидной туманности (см. рис. 20.6) такой же, как у источника, где существенна синхротронная реабсорбция.

Значение частоты _m, начиная с которой эффект синхротронной реабсорбции становится существенным, тем выше, чем «компактнее» источник, т. е. прежде всего чем больше плотность находящихся там релятивистских электронов.

Угловые размеры источника синхротронного излучения, в спектре которого наблюдается синхротронная реабсорбция, определяются формулой

(22.8)

где () — безразмерный множитель порядка единицы, выражается в секундах дуги. Эта очень важная для радиоастрономии формула впервые была получена в 1963 г. советским радиоастрономом В. И. Слышем. Тогда она была особенно полезной для изучения природы только что открытых квазаров, радиоспектры которых часто показывают явление синхротронной реабсорбции на частотах, лежащих в диапазоне сотен и тысяч мегагерц (что соответствует дециметровым и сантиметровым волнам). Тот факт, что в случае пульсара в Крабовидной туманности _m 10¹⁴ с^-1 (сто миллионов мегагерц), сам по себе весьма поразителен. Он означает, прежде всего, что этот пульсар представляет собой «сверхкомпактный» источник.

Анализ показывает, что в области синхротронного оптического и рентгеновского излучения пульсара в Крабовидной туманности H 3 10³ Э, в то время как полное значение вектора напряженности магнитного поля там 10⁶ Э. Это означает, что излучающая область находится где-то вблизи светового цилиндра, радиус которого для пульсара NP 0531 равен 1,5 тысяч километров, что в 100—200 раз больше радиуса нейтронной звезды. По этой причине напряженность магнитного поля в области светового цилиндра в несколько миллионов раз меньше, чем на поверхности нейтронной звезды.

На основе теории синхротронного излучения можно вычислить концентрацию релятивистских электронов в магнитосфере пульсара NP 0531 и их поток в Крабовидную туманность. Оказывается, что этот поток как раз достаточен для непрерывного «питания» этой туманности энергией, необходимой для компенсации ее мощного излучения. Таким образом, синхротронная теория естественно объясняет оптическое и рентгеновское излучение едва ли не самого любопытного космического объекта. Что касается происхождения сверхжесткого гамма-излучения (см. сноску на стр. 616), то скорее всего оно обусловлено столкновениями между заряженными частицами, ускоренными до ультравысоких энергий электрическими полями в магнитосфере пульсара NP 0531.

Как уже указывалось во введении к этой книге, бурное развитие внеатмосферной астрономии, так же как и радиоастрономии, привело в послевоенные годы к революции в нашей науке. Пожалуй, наиболее впечатляющими достижениями внеатмосферной астрономии были выдающиеся успехи рентгеновской астрономии. Первые наблюдения рентгеновского излучения Солнца были выполнены сразу же после войны, в 1946 г., с помощью счетчиков фотонов, установленных на маленьких ракетах. Потребовалось, однако, целых 16 лет для того, чтобы прогресс техники таких наблюдений позволил обнаружить первый рентгеновский источник, находящийся далеко за пределами Солнечной системы. Низкая разрешающая способность, характерная для рентгеновской астрономии (в то время порядка десятка градусов), не позволила сразу же более или менее точно определить положение нового рентгеновского источника на небе. Возникло даже предположение, что этот довольно яркий источник находится в центре Галактики. Вскоре, однако, выяснилось, что этот источник ничего общего с галактическим центром не имеет, находится в созвездии Скорпиона и удален от галактической плоскости почти на 20°. Последнее обстоятельство указывало на сравнительную его близость к Солнцу. Ведь толщина «галактического диска» — области, где находится подавляющее большинство звезд,— не превосходит 500 пс, в то время как радиус этого диска доходит до 15 000 пс. Так как галактическая широта рентгеновского источника в Скорпионе около 20°, то вероятное расстояние до него не должно быть больше, чем 250/ sin 20° 750 пс. Такой простой способ грубой оценки расстояний до неизвестных галактических источников весьма распространен в астрономии. Вернемся теперь к космическим рентгеновским источникам.

Вновь открытый рентгеновский источник получил название «Скорпион Х-1», где буква «X» символизирует рентгеновское излучение («икс-лучи»). Аналогичная «номенклатура» для вновь открываемых источников была принята в первые бурные годы развития радиоастрономии. Самые яркие радиоисточники получили названия по созвездиям, где они были обнаружены: Лебедь А, Кассиопея А, Телец А, Дева А и т. д. До сих пор эти названия сохранились, хотя сейчас уже каждый астроном знает, что Телец А — это Крабовидная туманность, а Дева А — это гигантская сфероидальная галактика NGC 4486. Вскоре после открытия источника Скорпион Х-1 было обнаружено рентгеновское излучение от Крабовидной туманности — об этом уже шла речь в § 17, а также два новых источника в созвездии Лебедя, сразу же получившие названия Лебедь Х-1 и Лебедь Х-2.

В последовавшие после открытия источника Скорпион Х-1 8 лет развитие рентгеновской астрономии все еще было недостаточно быстрым. Наблюдения проводились на ракетах, причем запуски их были немногочисленны и более или менее случайны (исключение составило наблюдение покрытия рентгеновского источника в Крабовидной туманности Луной, о чем речь шла в § 17). Все же в этот период была получена весьма ценная информация о природе рентгеновских источников. Прежде всего обращает на себя внимание огромная величина потока рентгеновского излучения от источника Скорпион Х-1. В интервале энергии рентгеновских квантов 1—10 кэВ (длины волн порядка нескольких ангстрем) этот поток 3 10^-7 эрг/см². Примерно такой же поток (болометрический!) дает звезда седьмой видимой величины. Только в 1966 г. улучшившаяся техника рентгеноастрономических наблюдений дала возможность локализовать на небе источник в Скорпионе с точностью в несколько минут дуги, что сразу же позволило отождествить этот загадочный объект с довольно слабой и до того времени ничем не обращавшей на себя внимание звездой 13-й величины. К этому времени было обнаружено, что поток рентгеновского излучения от источника Скорпион Х-1 довольно сильно меняется: ото дня ко дню вариации потока достигают многих десятков процентов. Оптическая звездочка, отождествляемая с этим источником, также довольно беспорядочно меняет свой блеск (примерно от 12-й до 13-й звездной величины), причем эти изменения практически не связаны с изменениями рентгеновского потока (см., однако, ниже).

Спектр источника Скорпион Х-1 многократно измерялся и в области 1—20 кэВ хорошо представляется экспоненциальным законом

(23.1)

где E — энергия рентгеновских квантов, T — параметр, имеющий смысл температуры. Величина T порядка нескольких десятков миллионов кельвинов. Такой спектр бывает у очень горячей плазмы с температурой T, причем эта плазма должна быть прозрачна к собственному рентгеновскому излучению. Наряду с изменениями потока рентгеновского излучения наблюдаются одновременные изменения спектра, который, однако, сохраняет свой экспоненциальный характер. При таких изменениях характеризующая спектр температура меняется от 25 до 100 миллионов кельвинов! Следует, однако, заметить, что в области высоких энергий (E 50 кэВ) в спектре источника Скорпион Х-1 имеется довольно значительное избыточное излучение, заведомо не являющееся «продолжением» излучения горячей плазмы в этом спектральном диапазоне.

Оптический спектр звездочки, с которой отождествляется Скорпион Х-1, изображен на рис. 23.1. В ближней инфракрасной области спектральная плотность потока излучения растет с ростом частоты, а в видимой и ультрафиолетовой областях спектральная кривая идет почти горизонтально. Важную точку на спектральной кривой дали наблюдения в ультрафиолетовой области около 1500 Å, выполненные методами внеатмосферной астрономии. Эта точка ложится на продолжение горизонтальной части кривой рис. 23.1. На этот яркий непрерывный спектр накладываются довольно слабые линии излучения бальмеровской серии водорода, гелия и ионизованных атомов углерода и кислорода. Интенсивности этих линий, равно как и их лучевые скорости, очень сильно меняются. Например, лучевые скорости за несколько часов колеблются в пределах многих сотен километров в секунду, меняя при этом свой знак. Это означает, что облака ионизованного газа, излучающего эти линии, иногда движутся с такой большой скоростью на наблюдателя, иногда — от него. Интересно, что лучевые скорости линий, принадлежащих разным элементам, различны и часто меняются в противоположной фазе. Все вместе это означает, что в окрестностях источника Скорпион Х-1 происходят бурные процессы, сопровождаемые выбросами довольно больших масс газа.

Рис. 23.1: Оптический и инфракрасный спектр источника Скорпион Х-1.

Основная часть непрерывного оптического спектра источника Скорпион Х-1 скорее всего является продолжением его рентгеновского спектра. Это означает, что как рентгеновское, так и оптическое излучение этого источника представляет собой обыкновенное тепловое излучение очень горячего газа, температура которого порядка нескольких десятков миллионов градусов. Но так как коэффициент поглощения такого газа сильно растет с уменьшением частоты излучения, то в близкой инфракрасной и в красной областях спектра он уже перестает быть прозрачным для собственного излучения. На этих частотах горячий газ должен поэтому излучать как абсолютно черное тело. В области частот, удовлетворяющих условию h < kT, зависимость интенсивности от частоты должна определяться классической формулой Рэлея — Джинса:

(23.2)

где R — радиус излучающей области, r — расстояние до источника. Действительно, из наблюдаемого спектра, приведенного на рис. 23.1, следует, что в инфракрасной и красной областях F T², как это и должно быть по закону Рэлея—Джинса. Зная T[ (3 5) 10⁷ K] и оценивая грубо r 500 пс, нетрудно получить оценку радиуса излучающей области R 10⁹ см, т. е. размеры источника рентгеновского излучения должны быть всего лишь около 10 000 км! Следовательно, это очень компактный объект. Из принятого нами значения r (которое, по причине высокой галактической широты источника, вряд ли может быть ошибочно больше, чем в два раза в ту или другую сторону) следует, что мощность рентгеновского излучения Скорпиона Х-1 (его «рентгеновская светимость») должна быть L_X 10³⁷ эрг/с, т. е. в 2—3 тысячи раз больше «полной» болометрической светимости Солнца! Если известны размеры источника, кинетическая температура заполняющей его горячей плазмы и теория ее излучения (которая очень хорошо и надежно разработана!), то не представляет труда оценить плотность частиц (электронов и ионов) в этой плазме. Эта плотность (вернее, концентрация) оказывается порядка 10¹⁶ см^-3 — величина достаточно большая, близкая к концентрации частиц в верхних слоях солнечной фотосферы. Наконец, если известны размеры источника и его плотность, то легко оценить полную массу газа, излучающего наблюдаемые от этого источника рентгеновские кванты. Эта масса по астрономическим масштабам совершенно ничтожна: всего лишь около 10²⁰ г, т. е. в сотню миллионов раз меньше массы земного шара. Запас тепловой энергии в этом плотном облаке плазмы около 10³⁶ эрг. Это означает, что «предоставленное самому себе» плазменное облако должно было высветиться за какую-нибудь десятую долю секунды! Так как этот источник наблюдается вот уже свыше 20 лет (а «живет» по крайней мере многие тысячи лет), то должен существовать какой-то непрерывный и притом очень мощный источник «накачки» энергии в горячую плазму. Горячее плазменное облако, которое каким-то образом, перманентно нагреваясь, излучает рентгеновские кванты — это только «второстепенная деталь» совершенно необычного космического тела, непосредственно не наблюдаемого.

Как видим, анализ рентгеновского и оптического излучения источника Скорпион Х-1 позволил получить ряд важных выводов о его природе и вскрыть его совершенно неожиданные, дотоле неизвестные в астрономии свойства. Этот источник по своим общим характеристикам оказался не уникальным. Приблизительно такие же свойства были обнаружены и у другого источника, Лебедь Х-2, отождествляемого с любопытной звездой 15-й величины.

Естественно, что сразу же после открытия галактических рентгеновских звезд теоретики стали размышлять об их природе и прежде всего об источниках огромной энергии их рентгеновского излучения. Уж такова натура теоретиков; хотя информация о рентгеновских звездах тогда была совершенно не достаточна (она и сейчас, мягко выражаясь, не избыточна...), недостатка в различных гипотезах и теориях не было. Не надо быть, однако, слишком строгим к теоретикам — они верны человеческой природе. Очень уж хотелось, и это так естественно, понять сущность этих удивительных объектов... В то время «в воздухе чувствовалось», что открытие нейтронных звезд уже не за горами. Напомним, что это было за несколько лет до открытия пульсаров. Первая идея объяснения природы нейтронных звезд была простая и, если можно так выразиться, «лобовая». Спектр наблюдаемого излучения не исключал возможности его тепловой природы, т. е. возможности описания его формулой Планка с температурой порядка десяти миллионов кельвинов. Однако идея о том, что рентгеновские источники — это горячие нейтронные звезды, быстро обнаружила свою несостоятельность (см. § 19).

«Новая эпоха» в рентгеновской астрономии качалась в декабре 1970 г., когда американцы с восточноафриканского полигона запустили на экваториальную орбиту специализированный рентгеновский спутник «Ухуру» (см. введение). Если до запуска этого спутника число известных космических рентгеновских источников было около 35, то после двух лет работы «Ухуру» число известных рентгеновских источников возросло почти до 200. При этом были зарегистрированы практически все источники, потоки от которых превышают одну тысячную потока от источника Скорпион Х-1 (в интервале энергий рентгеновских квантов от 2 до 20 кэВ). Наблюдаемые источники можно разделить на два класса. Источники первого класса имеют галактическую широту меньше 20°, источники второго класса — больше 20°. Как правило, самые интенсивные источники принадлежат к первому классу. Отсюда можно сделать вывод, что оба класса источников действительно представляют собой совершенно различные по своей природе объекты. В самом деле, если бы все рентгеновские источники представляли собой объекты сходной природы и находились в Галактике, то тогда источники, наблюдаемые в высоких галактических широтах, в среднем были бы к нам гораздо ближе. Но в таком случае они должны были бы быть более яркими. Такую картину мы наблюдаем в оптической астрономии: самые яркие звезды совершенно не концентрируются к Млечному Пути, между тем как слабые («телескопические») звезды очень сильно к нему концентрируются. «Высокоширотные» рентгеновские источники распределены по небу изотропно. Некоторые из них отождествляются с метагалактическими объектами — отдельными галактиками и скоплениями удаленных галактик. Поэтому можно сделать вывод, что по крайней мере часть «высокоширотных» рентгеновских источников суть весьма удаленные от нас метагалактические объекты. Что касается ярких источников, расположенных в низких галактических широтах (т. е. в полосе Млечного Пути), то подавляющее их большинство находится в нашей Галактике. Всего таких источников оказалось около 100. Из этого количества около 10 отождествляются с остатками вспышек сверхновых. Мы уже говорили о них в § 16. Основная же часть наблюдаемых галактических источников рентгеновского излучения должна принадлежать к совершенно особому классу объектов звездной природы, более или менее сходных с источниками Скорпион Х-1. В дальнейшем такие источники мы будем называть «рентгеновскими звездами». Следует различать два типа рентгеновских звезд. Первый тип концентрируется к галактической плоскости, что явно указывает на связь с молодыми массивными звездами. Ниже речь будет идти об объектах такого типа.

Рентгеновские звезды, помимо концентрации к галактическому экватору, обнаруживают явно выраженную концентрацию к галактическому центру: свыше половины их расположено в интервале долгот 60° по обе стороны галактического центра. Отсюда можно сделать вывод, что среднее расстояние до этих источников равно расстоянию от Солнца до галактического центра — около 10 000 пс. Этот вывод следует также из анализа спектров рентгеновских источников, находящихся в области созвездия Стрельца (это созвездие находится в направлении на галактический центр). У таких источников спектр часто обрывается со стороны низких энергий. Такой «обрыв» происходит из-за поглощения рентгеновского излучения межзвездным газом, причем для того, чтобы спектр оборвался у энергии квантов, равной 3 кэВ (как это наблюдается), нужно как раз такое количество межзвездных атомов, какое находится между Солнцем и центром Галактики.

Зная расстояние до таких источников ( 10 000 пс) и величину потоков рентгеновского излучения (которые непосредственно наблюдаются), можно сделать вывод, что мощности рентгеновского излучения у таких объектов доходят до 10³⁸ эрг/с, т. е. в десятки раз превосходят болометрическую светимость Солнца. Этот важный вывод подтверждается наблюдениями рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках — Магеллановых Облаках, расстояние до которых хорошо известно (60 000 пс). С другой стороны, из статистического анализа результатов наблюдений следует, что среди рентгеновских источников почти нет объектов, мощность излучения которых была бы 10³⁴—10³⁵ эрг/с. Если бы это было не так, то в Галактике наряду со сравнительно яркими источниками наблюдалось бы значительно большее количество слабых. Таким образом, рентгеновские звезды образуют в Галактике довольно ограниченную по мощности (10³⁹—10³⁸ эрг/с) и по численности ( 100 объектов) популяцию. Это означает, что большая часть всех существующих в Галактике рентгеновских звезд уже наблюдается. Подтверждением вывода о малочисленности рентгеновских звезд являются результаты наблюдения рентгеновского излучения от туманности Андромеды, которая регистрируется как довольно слабый источник. Как известно, эта туманность представляет собой гигантскую спиральную звездную систему, во многих отношениях сходную с нашей Галактикой. Учитывая, что туманность Андромеды удалена от нас на расстояние около 600 000 пс, можно найти по измеренной величине потока суммарную мощность всех находящихся в ней рентгеновских источников, которая оказывается около 2 10³⁹ эрг/с. Так как средняя мощность рентгеновского излучения источников около 10³⁷ эрг/с, то мы непосредственно получаем, что в туманности Андромеды имеется примерно сотня таких рентгеновских звезд (см. ниже).

Таким образом, можно сделать вывод, что рентгеновские звезды—чрезвычайно редкий феномен. В нашей Галактике, так же как и в туманности Андромеды, на миллиард «обычных» оптических звезд приходится только одна рентгеновская. Пожалуй, трудно назвать какую-либо другую популяцию в разнообразном «населении» Галактики, которая была бы так же редка. Разве только шаровые скопления по своей малочисленности могут сравниться с рентгеновскими звездами. Но шаровые скопления — это огромные агрегаты вещества, состоящие из сотен тысяч очень старых звезд, между тем как рентгеновские звезды — очень компактные объекты, несомненно, связанные с заключительным этапом эволюции звезд.

Выдающиеся по своей значимости результаты по исследованию рентгеновских источников в ближайших к нам галактиках были получены на уже упоминавшейся ранее обсерватории «Эйнштейн». Чувствительность установленных там рентгеновских телескопов превосходила чувствительность детекторов «Ухуру» примерно в 1000 раз! Это дало возможность обнаружить в туманности Андромеды около сотни рентгеновских источников (рис. 23.2). В Большом и Малом Магеллановых Облаках также было обнаружено значительное количество рентгеновских источников. В Большом Магеллановом Облаке, богатом молодыми массивными звездами, найдено всего около 200 источников, а в Малом — свыше 20. Скорее всего, основная часть источников в Большом Магеллановом Облаке связана с молодыми, массивными звездами (см. ниже). Это означает, что в Магеллановых Облаках наблюдаются, в основном, источники I типа (см. стр. 696). Между тем у гигантской галактики М 31 в Андромеде, масса которой раза в 2 больше массы нашей Галактики, скорость образования молодых звезд из газово-пылевой среды невелика, что объясняет сравнительно небольшое количество обнаруженных там источников I типа.

Рентгеновские источники обнаружены и у галактик, более удаленных, чем туманность Андромеды. Например, 10 источников обнаружено в М 83 и 9 — в карликовой галактике М 33, находящейся в созвездии Треугольника. У более удаленных галактик пока нельзя наблюдать отдельные рентгеновские источники. Наблюдениям доступно только суммарное излучение всех источников, находящихся в данной галактике. На обсерватории «Эйнштейн» такое излучение удалось обнаружить от 35 из 43 исследованных галактик.

Рис. 23.2: Вверху: рентгеновские источники в туманности Андромеды (М 31). Внизу: рентгеновские источники в центральной части М 31 (фотография получена на обсерватории «Эйнштейн»).

Важной особенностью излучения рентгеновских звезд является их переменность. Как правило, потоки рентгеновского излучения меняются. Эти вариации потоков носят довольно разнообразный характер. У отдельных источников наблюдаются очень быстрые изменения потоков, носящие неправильный характер. Например, у одного из наиболее ярких источников Лебедь Х-1 существенные изменения потока происходят за время меньше 0,001 с! Уже один этот факт говорит о том, что линейные размеры таких источников должны быть меньше 0,001 световой секунды, т. е. < 300 км (1/20 земного радиуса). По-видимому, в действительности они значительно меньше. Хорошо изучены вариации потока у самого яркого источника Скорпион Х-1. У этого источника таких быстрых изменений потока, как у источника Лебедь Х-1, не наблюдается. Он может излучать на более или менее постоянном уровне в течение нескольких дней. За это время как оптический, так и рентгеновский поток от него меняется в пределах 20%, причем вариации оптического и рентгеновского излучения не связаны. На это «спокойное» излучение накладываются отдельные «вспышки», длящиеся по нескольку часов. Вспышки охватывают как оптический, так и рентгеновский диапазон. Во время вспышек потоки меняются в 2—3 раза, причем среднее значение потоков в этой «активной» фазе раза в два больше, чем в спокойной. Никакой периодичности вспышек не обнаружено. Одновременные оптические и рентгеновские наблюдения показали, что во время вспышек рентгеновское излучение источника Скорпион Х-1 становится более «жестким» (т. е. в его спектре доля энергичных квантов растет), а оптическое излучение становится более «голубым». Если исходить из развитой выше модели этого источника как компактного плазменного облака, то следует предположить, что во время вспышек температура плазмы и ее средняя плотность растут. Последнее обстоятельство приводит к тому, что для оптического излучения плазма становится непрозрачной для более коротких волн, отчего спектр становится более «голубым» (закон Рэлея—Джинса!).

Рис. 23.3: Кривая блеска рентгеновского излучения источника Центавр Х-3.

Пожалуй, самым выдающимся открытием, сделанным на «Ухуру», является обнаружение строгой периодичности вариации потока рентгеновского излучения от некоторых источников. Это открытие, как мы увидим дальше, дало ключ к пониманию природы рентгеновских звезд и для их «осмысленного» количественного исследования. До «Ухуру» исследования этих объектов носили характер бессистемного сбора наблюдательных данных. Суть открытия сводится к следующему.

Исследования вариаций потока от источника умеренной интенсивности Центавр Х-3 показали, что существуют два уровня излучения этого источника: «высокий» и «низкий». Когда уровень излучения «низкий», поток уменьшается раз в 10. Оба уровня излучения чередуются с удивительно точной периодичностью, равной 2,08707 дня. В течение этого периода источник наблюдается на «низком» уровне излучения около 0,5 суток (рис. 23.3). Объяснение такой строгой периодичности не представляет труда для астрономов. Рентгеновский источник Центавр Х-3 входит в состав двойной системы, причем плоскость орбиты наклонена под небольшим углом к лучу зрения. При движении рентгеновской компоненты этой двойной системы по своей орбите она будет периодически заходить за «нормальную» (т. е. «оптическую») компоненту, которая тем самым будет ее экранировать. По этой причине поток рентгеновского излучения на Земле резко уменьшится. Когда «затмение» рентгеновской звезды оптической закончится, первоначальный («высокий») уровень потока рентгеновского излучения восстановится. Аналогичное явление давно известно в оптической астрономии: речь идет о затменных переменных звездах, типичным представителем которых является знаменитая звезда Алголь.

Рис. 23.4: Пульсации потока рентгеновского излучения источника Центавр Х-3.

Рис. 23.5: Кривая лучевых скоростей пульсирующего рентгеновского источника Центавр Х-3.

Наряду с 2,08707-дневной периодичностью потока рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 была обнаружена и другая, гораздо менее тривиальная периодичность. Оказалось, что излучение этого источника носит характер периодических пульсаций, с периодом 4,84239 секунды! (рис. 23.4). В промежутках между такими очень короткими импульсами поток рентгеновского излучения уменьшается почти в 10 раз. Точные наблюдения показали, что сам период пульсаций плавно меняется с периодом 2,08707 дня по синусоидальному закону (рис. 23.5). Эти маленькие, но регулярные изменения периода пульсаций легко объясняются эффектом Доплера при орбитальном движении источника е постоянным периодом пульсаций. Это доказывается хотя бы тем наблюдаемым фактом, что скорость изменений периода пульсации обращается в нуль тогда, когда затмение достигает середины, т. е. когда направление орбитальной скорости рентгеновского источника перпендикулярно к лучу зрения (рис. 23.6). Из величины вариаций периода пульсаций, обусловленных орбитальным движением рентгеновской звезды, непосредственно, по известной формуле эффекта Доплера, находится значение орбитальной скорости, которая оказывается равной 415 км/с.

Рис. 23.6: Сравнение кривых лучевых скоростей пульсирующего источника Центавр Х-3 и кривой затмения.

Следует заметить, что часто «пульсирующая компонента» рентгеновского источника пропадает на несколько дней. В течение этого времени поток рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 уменьшается на порядок и становится примерно таким же, как при «затмениях», т. е. излучение источника остается на более или менее постоянном («низком») уровне. Затем короткие импульсы возобновляются без всякого сбоя в фазе. Эти сложные явления, по-видимому, связаны с механизмом самого рентгеновского излучения источника Центавр Х-3. Переход между двумя уровнями излучения происходит не резко, а длится около часа. В течение этого короткого «переходного» времени спектр становится значительно «жестче». Это указывает на наличие довольно протяженной атмосферы вокруг оптической компоненты двойной системы, которая, «находя» на рентгеновский источник, производит поглощение прежде, чем последний скроется за непрозрачным диском звезды. Длительность этой «переходной» стадии меняется, что указывает на нестационарность оболочки, окружающей оптическую звезду.

После нескольких неудачных попыток рентгеновский источник Центавр Х-3 был отождествлен со спектрально-двойной звездой 13-й величины. Эта звезда является переменной и обладает рядом особенностей. Основанием для такого отождествления послужило хорошее совпадение координат (в пределах 1 дуги), а главное — периодические изменения лучевых скоростей линий в спектре этой звезды, причем период в точности совпадает с орбитальным периодом Центавра Х-3. Указанные периодические изменения лучевых скоростей спектральных линий, без сомнения, вызваны, орбитальным движением оптической звезды. Анализ рентгеновских и оптических данных позволяет выяснить характеристики двойной системы Центавр Х-3. Это очень тесная пара звезд с почти круговой орбитой, радиус которой 6 10¹¹ см, что только в 8,7 раза превышает радиус Солнца. Оптическая звезда представляет собой объект довольно высокой светимости, масса которого около 15 солнечных масс, а радиус 5 10¹¹ см (в 7,2 раза больше солнечного). Это означает, что расстояние от рентгеновского источника до фотосферы оптической звезды всего лишь в 1,5 раза больше солнечного радиуса. Масса рентгеновской компоненты, линейные размеры которой невелики, порядка массы Солнца. При таком отношении масс обеих компонент двойной системы «большая» оптическая звезда заполняет свою «полость Роша» (см. § 14) и из малой области на ее поверхность должна вытекать струя газа, образующего вокруг компактной рентгеновской компоненты уплощенный диск.

Такова модель рентгеновского источника Центавр Х-3, которая логически вытекает из того факта, что рентгеновская звезда входит в состав тесной двойной системы. В истории астрономии двойные звезды сыграли большую роль. Например, только для двойных систем можно с достоверностью определить массы звезд. Явление новых звезд тесно связано с их двойственностью (см. § 14). С другой стороны, сама эволюция звезд в двойных системах отличается большим своеобразием (см. тот же параграф). Тот факт, что была обнаружена рентгеновская звезда в составе тесной двойной системы, позволяет получить не только ценнейшую информацию об основных характеристиках таких звезд, но и открывает возможность понять их природу. Сразу же напрашивается аналогия между 4,84-секундным периодом пульсаций рентгеновского излучения от источника Центавр Х-3 и радиопульсарами. Поэтому объекты, подобные источнику Центавр Х-3, сразу же получили название «рентгеновские пульсары». Аналогия между рентгеновскими и радиопульсарами имеет глубокий смысл, о чем будет идти речь ниже.

Рис. 23.7: Кривая блеска рентгеновской звезды в Малом Магеллановом Облаке.

Центавр Х-3 далеко не единственный рентгеновский источник, являющийся компонентой тесной двойной системы. В настоящее время количество таких источников порядка нескольких десятков. В частности, один рентгеновский источник, наблюдаемый в ближайшей к нам карликовой неправильной галактике — Малом Магеллановом Облаке (рис. 23.7), входит в состав двойной системы и имеет орбитальный период 3,4 дня. Кстати, заметим, что одна лишь эта звезда дает свыше 80% мощности всего рентгеновского излучения Малого Магелланова Облака — галактики хотя и «карликовой», но все-таки содержащей несколько миллиардов звезд.

Рис. 23.8: Кривая блеска рентгеновского излучения рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Рекордно короткий период наблюдается у замечательного рентгеновского источника Лебедь Х-3, о котором речь будет идти ниже. Его период равен всего лишь 4,8 часа. В высшей степени интересным «двойным» рентгеновским источником является Геркулес Х-1. Прежде всего этот источник оказался вторым (после Центавра Х-3) рентгеновским пульсаром. Период его пульсаций равен 1,2378 секунды — значительно короче, чем у источника Центавр Х-3, в то время как орбитальный период, полученный как из анализа рентгеновских «затмений» (рис. 23.8), так и из периодических вариаций периода пульсаций, обусловленных орбитальным движением пульсирующего источника (рис. 23.9), равен 1,70016 дня. Помимо этих двух характерных периодов (орбитального движения и пульсаций), источник Геркулес Х-1 имеет еще и третий, значительно более длительный период. Его длительность равна 35 дням (рис. 23.10). В течение 11 или 12 дней этот рентгеновский источник вполне надежно наблюдается, причем его поток меняется из-за «затмений» с периодом 1,70 дня. После этого он на 24 дня полностью «выключается». Интересно, что после периода невидимости этот рентгеновский источник «включается» очень быстро, всего лишь за несколько часов. В течение следующих трех дней после этого поток продолжает расти, но уже довольно медленно, а затем так же медленно и постепенно падает до нуля, после чего наступает 24-дневный период невидимости.

Рис. 23.9: Кривая изменений периода пульсаций рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Рис. 23.10: 35-дневный цикл «видимости» у рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Перед наступлением главного минимума, обусловленного затмением маленькой рентгеновской звезды оптической звездой, у источника Геркулес Х-1 наблюдается еще дополнительный минимум, глубина которого меняется с 11-дневным циклом видимости этого источника (см. рис. 23.10). При этом наблюдаются сильные изменения в спектре источника, его излучение становится значительно более жестким. Такого же характера изменения в спектре наблюдаются и при «включении» источника, между тем как при «выключении» источника никаких спектральных изменений не наблюдается. Все это говорит о том, что в системе источника Геркулес Х-1 имеется газ, производящий сильное поглощение мягкого рентгеновского излучения. В отличие от Центавра Х-3, где поглощающий газ сосредоточен в атмосфере вокруг оптической звезды, в случае Геркулеса Х-1 поглощение производится струями газа, участвующими в орбитальном движении, а также, возможно, газовым диском, окружающим рентгеновский источник. Спектр последнего в периоды, когда поглощение газа его не искажает, сам по себе довольно «жесткий». Если он обусловлен тепловым излучением плазмы, то температура ее должна во всяком случае превышать пятьдесят миллионов кельвинов. Скорее всего, однако, рентгеновское излучение от источника Геркулес Х-1 (также, как и от Центавра Х-3) не является тепловым.

Вскоре после того, как эти удивительные особенности источника Геркулес Х-1 стали известны, он был отождествлен с переменной звездой HZ Геркулеса, блеск которой колеблется в пределах 13—15 звездной величины. Эти изменения сопровождаются одновременными спектральными изменениями. Когда звезда более ярка, ее цвет более голубой. Последующие наблюдения (в частности, советских астрономов) показали, что изменение блеска HZ Геркулеса носит периодический характер, причем период в точности равен орбитальному периоду источника Геркулес Х-1, т. е. 1,70 дня. Минимум оптического блеска соответствует минимуму рентгеновского потока. Это означает, что на поверхности оптической звезды (спектральный класс которой F) всегда имеется довольно большое горячее пятно, обращенное к рентгеновскому источнику. Происхождение такого пятна объясняется совершенно естественно: мощное рентгеновское излучение нагревает поверхностные слои «оптической» звезды, обращенные к рентгеновскому источнику.

Почти круговая орбита рентгеновской звезды вокруг «оптической» следует из анализа данных наблюдений. Из вариаций 1,24-секундного периода пульсаций рентгеновского источника с периодом 1,70 дня получается его орбитальная скорость, равная 169 км/с. При этом радиус орбиты близок к 4 10¹¹ см или 5,7 солнечного радиуса, в то время как радиус «оптической» звезды HZ Геркулеса в два раза превышает солнечный. Масса звезды HZ Геркулеса в два раза превышает массу Солнца, а масса ее рентгеновского спутника около одной солнечной массы. Зная радиус HZ Геркулеса и температуру ее «темной» стороны, можно найти светимость этой звезды, а следовательно, ее абсолютную величину. Сравнение найденной таким образом абсолютной величины и наблюдаемой величины позволяет определить расстояние до HZ Геркулеса, которое оказывается близким к 2000 пс. Так как галактическая широта Геркулеса Х-1 довольно велика, 35°, то можно сделать интересный вывод, что расстояние рентгеновского источника от галактической плоскости необычайно велико, свыше 1000 пс! Объяснение этого обстоятельства должно быть неразрывно связано с вопросом о происхождении рентгеновского источника Геркулес Х-1.

Из наблюдений следует, что импульсное рентгеновское излучение пульсара Геркулес Х-1 (так же, как и источника Центавр Х-3) подобно радиоизлучению «обычных» пульсаров носит направленный характер. В таком случае, совершенно так же, как и у радиопульсаров, наблюдаемый период пульсаций есть период вращения излучающего тела вокруг своей оси. Но с таким коротким периодом, как 1,24 с, может вращаться только нейтронная звезда. Таким образом, внешняя аналогия между радио- и рентгеновскими пульсарами превращается в тождество их природы: оба типа пульсаров являются нейтронными звездами. Но в то время как радиопульсары никогда не входят в состав двойных систем, рентгеновские пульсары наблюдаются только в двойных системах[ 55 ]. Имеется и еще одно важное различие между двумя видами пульсаров: периоды радиопульсаров монотонно растут, причем скорость увеличения периода каждого такого пульсара зависит только от его возраста, у источника же Геркулес Х-1 период пульсаций за полгода наблюдений уменьшился примерно на одну стотысячную своего значения. Это уменьшение периода происходило отнюдь не равномерно. Аналогичная картина имеет место и для источника Центавр Х-3.

Особую проблему представляет объяснение отсутствия 35-дневного цикла в оптической переменности HZ Геркулеса. Ведь если оптическая переменность этой звезды объясняется ее нагревом мощным потоком рентгеновского излучения от второй компоненты, то почему этот нагрев продолжается и в течение 24-х дней 35-дневного периода, когда источник рентгеновского излучения «выключен»? Здесь могут быть два объяснения, отнюдь не исключающие одно другое. Во-первых, можно предположить, что диаграмма излучения рентгеновского пульсара участвует в двух движениях. Если излучающая область не совпадает с полюсами вращающейся нейтронной звезды (а, например, находится около магнитных полюсов, как у радиопульсаров), то из-за вращения этой звезды около оси диаграмма излучения будет периодически проходить через наблюдателя. Здесь геометрия такая же, как у радиопульсаров. Представим себе теперь, что сама ось вращения описывает прецессионное движение (так называемая «свободная прецессия», вызванная небольшой асимметрией в распределении массы в нейтронной звезде) с периодом около 35 дней. Тогда можно представить себе, что в течение почти ²/₃ этого периода диаграмма излучения рентгеновского пульсара не будет «смотреть» на Землю ни при какой фазе осевого вращения. В то же время она всегда будет направлена на какую-то часть поверхности находящейся рядом оптической звезды, которая находится достаточно близко и видна под большим телесным углом.

Недостатком этой модели являются довольно жесткие ограничения геометрического характера. Подозрительным также представляется и то, что ни у одного из известных радиопульсаров явление периодического «выключения» импульсов на длительный срок не наблюдается. Между тем явление свободной прецессии не должно, казалось бы, зависеть от того, является ли нейтронная звезда одиночной или входит в состав двойной системы. Альтернативой является предположение, что около компактного рентгеновского источника находится более или менее изотропный источник пока ненаблюдаемого мягкого рентгеновского или ультрафиолетового излучения, которое и «греет» находящуюся рядом оптическую звезду HZ Геркулеса. Этим источником может быть, например, горячий газовый диск, окружающий рентгеновский пульсар — быстро вращающуюся нейтронную звезду. Для подтверждения этой гипотезы решающее значение должны иметь будущие внеатмосферные наблюдения источника Геркулес Х-1 в указанной выше спектральной области[ 56 ].

Итак, вся совокупность наблюдательных данных говорит о том, что рентгеновские источники, входящие в состав двойных систем, представляют собой весьма компактные объекты с массой, близкой к массе Солнца. Почти наверное это нейтронные звезды, очень быстро вращающиеся вокруг своих осей. Нужно теперь разобраться в главном вопросе: в чем причина столь мощного рентгеновского излучения нейтронных звезд, входящих в состав двойных систем? Конечно, о ядерных источниках здесь говорить не приходится. Остаются только два источника: кинетическая энергия вращения такой звезды и потенциальная гравитационная энергия, освобождаемая при падении на поверхность нейтронной звезды газовых масс. Последний механизм называется «аккрецией». Сразу же нужно сказать, что если рентгеновские пульсары — это нейтронные звезды, то первый из упомянутых выше источников энергии отпадает. В самом деле, в случае источника Центавр Х-3 экваториальная скорость нейтронной звезды должна быть около 10 км/с. Следовательно, кинетическая энергия вращения этой звезды должна быть 3 10⁴⁴ эрг. Так как мощность рентгеновского излучения этого источника 10³⁷ эрг/с, то запаса кинетической энергии хватит только на один год. Вообще следует сказать, что при таком источнике энергии рентгеновские пульсары тормозились бы, т. е. периоды их вращения должны были бы расти, что противоречит наблюдениям.

Гораздо более эффективным источником энергии является падение на поверхность нейтронной звезды облаков и струй газа. Так как радиусы таких звезд очень малы ( 10 км), а массы близки к солнечной, то скорость падающего на поверхность таких звезд вещества достигает 100 000 км/с, т. е. 1/3 скорости света (вспомним, что на поверхности Земли эта скорость равна 11 км/с, а на поверхности Солнца 618 км/с). При такой скорости падение одного грамма вещества приводит к выделению 0,1c² 10²⁰ эрг энергии. Следовательно, для производства 10³⁷ эрг/с надо, чтобы на поверхность нейтронной звезды ежесекундно падало 10¹⁷ г газа. Эту величину следует считать достаточно «скромной». Ведь при таком темпе за год выпадает не больше одной тысячной массы Земли. Источником этого газа может быть только оптическая звезда, находящаяся вблизи нейтронной звезды. Как мы видели выше, оптические компоненты двойных систем, другой компонентой которых являются нейтронные звезды, заполняют свою полость Роша. Поэтому с части поверхности оптической звезды по направлению к нейтронной звезде будет непрерывно течь струя газа.

Как показывают расчеты, эта струя будет «питать» газовый диск, быстро вращающийся вокруг нейтронной звезды[ 57 ]. Из этого диска газ будет падать на нейтронную звезду, ускоряясь ее гравитационным полем. При падении на поверхность нейтронной звезды приобретенная газом энергия превратится в излучение. Наличие у нейтронной звезды сильного магнитного поля усложняет эту картину движения газовых струй в тесной двойной системе. Падающая на нейтронную звезду струя газа будет на некотором расстоянии от нее (там, где плотность магнитной энергии равна плотности кинетической энергии газовой струи) остановлена, после чего газ потечет вдоль силовых линий магнитного поля на поверхности нейтронной звезды. Таким образом, следует ожидать, что падающие от оптической звезды массы ионизованного газа будут достигать поверхности нейтронной звезды в двух сравнительно малых «пятнах», окружающих магнитные полюсы. Размеры этих «пятен» могут быть около 0,1 радиуса нейтронной звезды, т. е. 1 км. В этой малой области происходят грандиозные по масштабам энерговыделения процессы. Там распространяются сильные ударные волны, происходит весьма эффективное ускорение электронов до релятивистских энергий, имеют место сложные процессы взаимодействия охваченной разными возмущениями плазмы с магнитным полем. Детали этих процессов сейчас тщательно исследуются теоретиками и многое здесь еще непонятно. Но общая картина генерации мощного рентгеновского излучения уже проясняется. Излучают релятивистские и нерелятивистские электроны, движущиеся в сильном магнитном поле нейтронной звезды. Источник энергии — потенциальная энергия, приобретенная газом в сильнейшем гравитационном поле нейтронной звезды. Наконец, источник газа — оптическая компонента тесной двойной системы, заполняющая свою полость Роша или же звездный ветер.

Мы пока еще не знаем с достоверностью, каковы те эволюционные процессы, которые приводят к образованию в тесной двойной системе нейтронной звезды. Общая проблема эволюции в таких системах уже рассматривалась в § 14. Несомненно, что нейтронная звезда в тесной двойной системе есть «конечный продукт» эволюции более массивной компоненты этой системы. Образованию нейтронной звезды должно было предшествовать существенное перетекание массы от эволюционирующей (первоначально более массивной) компоненты ко второй компоненте. Можно предполагать, что после того как существенная часть (70—80%) массы эволюционирующей звезды перетекла, произошел взрыв гелиевой звезды — вспышка сверхновой, приведшая к образованию нейтронной звезды. В процессе взрыва могла быть выброшена из двойной системы масса газа до 1M со скоростью порядка нескольких тысяч километров в секунду. По закону сохранения импульса, если взрыв не вполне симметричен, центр тяжести двойной системы должен был получить равный и противоположно направленный импульс. Не этим ли объясняется то, что источник Геркулес Х-1 находится так «высоко» над галактической плоскостью? Интересно, что лучевая скорость HZ Геркулеса направлена к галактической плоскости и близка к 60 км/с. Это может означать, что она, удалившись на максимальное расстояние от галактической плоскости, движется теперь обратно. В принципе такая система может совершить несколько колебаний поперек галактической плоскости с характерным периодом порядка 10⁸ лет.

Рис. 23.11: Схема эволюции тесной двойной системы.

На рис. 23.11 приведена схема эволюции тесной двойной системы массивных звезд, рассчитанная голландскими теоретиками.

Наряду с «оптической» звездой, заполняющей свою полость Роша, как уже упоминалось выше, источником газа для аккреции на нейтронную звезду может быть и «звездный ветер» от оптической компоненты, достаточно удаленной от нейтронной звезды и поэтому не заполняющей своей полости Роша. В этом случае оптическая компонента—горячий сверхгигант спектрального класса О—В с массой больше 10M. Именно у таких звезд мощность корпускулярного излучения (или что то же — звездного ветра) достаточно велика, например, 10^-6—10^-7M/год. В этом случае только доля процента вытекающего из звезды корпускулярного излучения «перехватывается» нейтронной звездой, что, впрочем, вполне достаточно для генерации рентгеновского излучения наблюдаемой мощности. Мы приходим, таким образом, к представлению, что должны быть две разновидности рентгеновских источников — компонент двойных массивных систем:

a. источники, где оптическая компонента — горячий массивный сверхгигант, испускающий мощный звездный ветер; типичный представитель — Центавр Х-3;

b. источники, где оптическая компонента по массе лишь немного превышает Солнце и заполняет свою полость Роша. Типичный представитель — Геркулес Х-1.

В то время как источники первого типа находятся вблизи галактической плоскости, источники второго типа могут быть достаточно удалены от нее.

Не исключено, что обе разновидности источникой происходят от тесных двойных систем с массивными компонентами, но в то время как у источников типа а) массы компонент сходны, у источников типа б) отношение масс больше 3. Расчеты показывают, что если у более массивной компоненты M₁ > 10M, то после перетекания масс останется компактная гелиевая звезда с массой 3M, которая может взорваться как сверхновая и «превратиться», таким образом, в нейтронную звезду. В противном случае в процессе эволюции могут образоваться только белые карлики. Если отношение масс M₁/M₂ > 3, то в процессе эволюции, как оказывается, большая часть массы системы покидает ее. При взрыве сверхновой в такой системе в большинстве случаев пары распадаются.

Характерной особенностью рентгеновских источников является наличие в ряде случаев наряду с орбитальными периодами весьма коротких периодов пульсации. Выше мы уже подробно говорили о 4,84-секундном периоде пульсаций у Центавра Х-3 и 1,24-секундном — у Геркулеса Х-1. В 1975 г. было сделано важное открытие «длинных» периодов пульсаций у рентгеновских источников. Например, у источника 0940—40, принадлежащего к типу а) и имеющего орбитальный период около 9 суток, найден пульсационный период в 283 с. Несколько длинных пульсационных периодов было найдено у так называемых «новых» (или «временных») рентгеновских источников[ 58 ]. Довольно длинный пульсационный период (405 с) был обнаружен у источника А 1118—61. Самый длинный период у известных к 1977 г. источников равен 31 минуте. Скорее всего продолжительные периоды пульсаций есть следствие торможения вращения нейтронной звезды намагниченной плазмой, в которую «погружена» двойная система. Возможно, что конкретным механизмом такого торможения является генерация вращающейся нейтронной звездой звуковых волн, а также обычная вязкость. Таким образом, период вращения нейтронной звезды — рентгеновского пульсара — как бы «подстраивается» к физическим характеристикам двойной системы, в которой он находится (период орбитального движения, мощность звездного ветра от «оптической» компоненты и пр.). Наблюдаемые вариации периодов вращения пульсаров скорее всего вызваны, в первую очередь, вариациями мощности звездного ветра, «питающего» путем аккреции нейтронную звезду.

Долгие годы, несмотря на ряд попыток, никак не удавалось доказать двойственность самого яркого рентгеновского источника Скорпион Х-1. Это оказалось очень трудной задачей, так как на ожидаемое регулярное изменение блеска оптической звезды, отождествляемой с этим источником, накладывались беспорядочные изменения с большой амплитудой. В то же время никакой периодичности в рентгеновском излучении (типа той, которая наблюдается у Центавра Х-3 и Геркулеса Х-1) у Скорпиона Х-1 не было обнаружено. Последнее обстоятельство, конечно, не является аргументом против двойственности этого источника: ведь вполне возможно, что плоскость орбиты наклонена под большим углом к лучу зрения!

Только в 1975 г. американским астрономам из анализа оптических наблюдений удалось найти орбитальный период Скорпиона Х-1, оказавшийся равным 0,787 ± 0,006 суток. Масса каждой из компонент меньше 2M, а скорость системы 145 км/с, т. е. очень велика.

Было также показано, что яркий источник Лебедь Х-2 представляет собой двойную систему с малой массой (M_O 2M, M_X 1M), сходную со Скорпионом Х-1 и Геркулесом Х-1. Орбитальный период Лебедя Х-2 T = 0,86 дня, а расстояние 2 кпс.

Особый интерес представляет проблема радиоизлучения рентгеновских звезд. Несколько таких объектов (например, Скорпион Х-1, Лебедь Х-1) оказались источниками очень слабого, переменного радиоизлучения. Заметим, однако, что само по себе это не является проблемой. В последние годы радиоизлучение было обнаружено от нескольких тесных двойных систем, в частности, от Алголя и Лиры. В таких системах мощные потоки газовых струй должны приводить к значительному радиоизлучению. Однако в сентябре 1972 г. наблюдалось уже не совсем обычное явление. Поток очень слабого радиоизлучения от рентгеновской звезды Лебедь Х-3 скачком увеличился в 2000 раз! Вспышка длилась несколько дней, спустя две недели она повторилась. Во время вспышки радиоисточник Лебедь Х-3 оказался одним из самых ярких на небе на сантиметровых волнах. Это позволило, в частности, по «пропечатавшимся» в его спектре межзвездным радиолиниям поглощения 21 и 18 см определить расстояние до него, оказавшееся около 7000 пс. Мощный всплеск радиоизлучения объясняется выбросом облака релятивистских частиц и плазмы. Странно, что рентгеновское излучение этого источника не претерпело при этом никаких изменений. По-видимому, детальное изучение рентгеновских звезд принесет астрономам еще много неожиданностей.

В 1978 г. внимание астрономов было сконцентрировано на совершенно уникальном объекте SS 433. Поразительной особенностью этого звездообразного источника является наличие в его спектре водородных и гелиевых эмиссионных линий, длины волн которых меняются с периодом 164 дня. Каждая «стационарная» линия водорода и гелия имеет по обе стороны от себя две «подвижные» линии, сильно смещенные в красную и фиолетовую части спектра. На рис. 23.12 приведена кривая лучевых скоростей. Обращает на себя внимание ее огромная амплитуда. По характерной кривой лучевых скоростей не представляет особого труда построить кинематическую модель SS433. Она сводится к представлению, что из этого источника в двух противоположных направлениях выбрасываются две газовые струи с огромной скоростью v = 0,27c или 81 000 км/с, причем ось, вдоль которой происходит выбрасывание газа, прецессирует с периодом 164 дня. Этот звездообразный объект находится внутри давно уже известной радиотуманности W 50 — явном остатке сверхновой, имеющем форму неполной оболочки. Объект SS433 является источником рентгеновского излучения, так же как и радиотуманность W 50.

Рис. 23.12: Часть спектра SS 433, на которой видна очень интенсивная «несмещенная» линия Н ( = 6563 Å), с обеих сторон от которой видны две компоненты той же линии с сильным красным ( 7400—7500 Å) и фиолетовым ( 6100—6200 Å) смещением. Спектры получены в течение грех последовательных ночей. Отчетливо видно прогрессивное смещение красной и фиолетовой компонент.

Дальнейшие оптические наблюдения показали, что блеск SS 433 меняется с периодом 13,1 суток. Эти изменения объясняются двойственностью объекта, В этом случае мы наблюдаем в оптических лучах своеобразную «затменную переменную» (см. рис. 23.13), одной компонентой которой является массивная горячая голубая звезда — сверхгигант, другой — плотный, горячий газовый диск, окружающий вторую, весьма компактную компоненту— нейтронную звезду или черную дыру. Этот диск образуется путем перетекания мощной струи газа от звездной компоненты через лагранжеву точку L (см. рис. 14.1). В отличие от других аналогичных систем (например, Лебедь Х-1, Центавр Х-3), скорость перетекания очень велика — до 10^-4M/год— в десятки тысяч раз больше, чем в системе Лебедь Х-1. Такая фаза «быстрого перетекания» соответствует «сверхкритической» аккреции и длится сравнительно недолго, 10⁴ лет. При сверхкритической аккреции почти весь перетекающий газ выталкивается из диска силой светового давления. Это и является причиной вытекания двух струй в направлениях, перпендикулярных к плоскости газового диска (рис. 23.14). Так как эта фаза эволюции является кратковременной, число объектов, подобных SS 433, должно быть в нашей Галактике весьма незначительным.

Рис. 23.13: Кривая лучевых скоростей для «красной» и «фиолетовой» компонент SS 433. По оси абсцисс внизу отложены даты в юлианских днях, вверху — даты обычного календаря.

Рис. 23.14: Рентгеновское изображение SS 433, полученное на обсерватории «Эйнштейн». Около 10% всего излучения исходят от двух вытянутых струй, симметрично расположенных по отношению к источнику.

Радиоинтерференционные наблюдения выявили излучение струй и убедительно доказали прецессионный характер их движения. С этими струями также связано рентгеновское излучение W 50. Изучение удивительных явлений, происходящих в SS 433, позволило лучше понять характер эволюции массивных двойных систем и связанных с ними рентгеновских и радиоисточников.

В высшей степени интересным, но пока еще загадочным является открытие импульсов жесткого рентгеновского (или мягкого гамма-) излучения космического происхождения. Хотя первые публикации появились во второй половине 1973 г., само открытие было сделано в 1967 г. Его история весьма любопытна.

Как известно, СССР и США заключили в свое время договор о прекращении ядерных взрывов в атмосфере и на поверхности Земли. Подавляющее большинство стран (к сожалению, не все) присоединились к этому соглашению. Для контроля над подобными, взрывами США запустили на большую высоту серию искусственных спутников «Вела», оснащенных специальными регистрирующими приборами. В числе этих приборов были также детекторы мягкого гамма-излучения в диапазоне энергии квантов 0,2—2 МэВ. Чувствительность этих детекторов почти не зависела от направления прихода гамма-излучения, т. е. они были практически «изотропными». Однако в случае, когда гамма-излучение носит импульсный характер (что как раз и следует ожидать во время ядерных испытаний), направление прихода можно зарегистрировать, если известны разности моментов прихода импульсов на разных спутниках контрольной системы. Это, конечно, требует непрерывной регистрации уровня гамма-излучения, наблюдаемого на разных спутниках, с точностью не меньшей, чем 10^-2 с.

Велико же, по-видимому, было изумление работников этой «патрульной службы», когда они обнаружили, что временами наблюдаются довольно интенсивные кратковременные импульсы жесткого излучения, не связанные ни с Землей, ни с Солнцем. В тех очень редких случаях, когда удавалось определить координаты (с точностью около 5°), галактические широты источников этого загадочного излучения оказались весьма значительными. Это может означать, что либо источники находятся в Метагалактике, либо они сравнительно близки к Солнцу (например, удалены от нас на расстояния, не превышающие сотню парсек). Раньше чем обсуждать обе эти возможности, остановимся более подробно на наблюдаемых характеристиках этих пока еще загадочных импульсов.

Прежде всего довольно ясно, что если эти импульсы были обнаружены при помощи «патрульной» аппаратуры, отнюдь не предназначенной для астрономических наблюдений, потоки излучения должны быть достаточно велики. И действительно, при наблюдаемой длительности явления в несколько десятков секунд поток в указанном выше интервале энергий квантов достигает 10^-4 эрг/см² с, что в несколько сотен раз превышает полный поток от самого яркого из космических источников рентгеновского излучения, источника Скорпион Х-1. Заметим, однако, что последний излучает преимущественно в мягком рентгеновском диапазоне с энергией квантов в несколько килоэлектронвольт. В диапазоне же около 1 МэВ поток излучения от загадочных космических импульсных источников зачастую превосходит поток от солнечных вспышек и на много порядков превышает потоки от других космических источников.

Естественно, что такое выдающееся явление, как импульсы космического гамма-излучения, стало объектом исследования также и на других спутниках. И хотя после первого известия об обнаружении загадочных импульсов прошло не так уж много времени, сейчас (1983 г.) кое-что прояснилось.

Прежде всего установлено, что спектр космических импульсов простирается в значительно более «мягкую» область, по крайней мере до 10 кэВ. Установлено также, что где-то около энергии квантов E₁ 200 кэВ этот спектр довольно круто (экспоненциально) обрывается, в то время как для E < E₁ спектр убывает с ростом E по степенному закону F F^-, где 0,5, и меняется как для разных источников, так и для одного и того же источника с течением времени. В последнем случае, по-видимому, «жесткость» спектра растет вместе с ростом потока.

Очень интересна «временная» структура импульсов. Они состоят из отдельных весьма интенсивных «всплесков» длительностью около секунды, разделенных промежутком времени 10 с. Полная длительность импульсов, как уже говорилось выше, порядка нескольких десятков секунд. Во время «всплеска» поток излучения достигает максимума очень быстро, за время во всяком случае меньшее, чем 0,1 с. Это означает, что линейные размеры излучающей области довольно незначительны, меньше 10 000 км.

Всплески, в течение которых излучается энергия > 10^-4 эрг/см², наблюдаются один раз в несколько месяцев. Естественно, что всплески, при которых выделяется меньшая энергия, должны наблюдаться значительно чаще, так как они должны исходить от более удаленных, а потому и более многочисленных источников.

Учитывая наблюдаемые свойства импульсов жесткого излучения, вряд ли, по нашему мнению, их можно считать метагалактическими объектами. В принципе, мощное жесткое излучение можно ожидать при вспышках сверхновых звезд. Однако никакой корреляции между вспышками сверхновых, имевшими место в других галактиках за последние несколько лет, и импульсами жесткого излучения не обнаружено. В этой связи заметим, что в 1972 г. вспыхнула сверхновая в довольно близкой к нам галактике NGC 5253 (см. § 15). Никакого импульса жесткого излучения, однако, при этом обнаружено не было.

Определение координат космических импульсных гамма-источников является довольно сложной задачей. Это можно сделать, в принципе, зная моменты регистрации начала импульсов на разных детекторах, удаленных друг от друга на как можно большее расстояние. Чем больше расстояние, тем выше точность локализации источников на небе.

В 1978 г. на борту двух советских межпланетных станций «Венера-11» и «Венера-12» были установлены детекторы мягкого гамма-излучения. Там же были установлены приборы для регистрации моментов времени с точностью 2—3 миллисекунды. Одновременно на околоземной орбите находился советский спутник «Прогноз-7», на котором была установлена такая же аппаратура. Эти наблюдения проводились в содружестве с французскими учеными.

Всего за 1¹/₂ года работы удалось наблюдать свыше 150 гамма-импульсов. В отдельных случаях их координаты определялись с точностью, превосходящей 1. Особенно интересны были наблюдения исключительно мощного всплеска 5 марта 1979 г., у которого удалось выявить 8-секундную периодичность в потоке излучения. Это доказывает, что излучают вращающиеся нейтронные звезды. Большой интерес представляют десятки спектров гамма-импульсов, анализ которых пока не закончился. В высшей степени важно то, что ни одного оптического объекта до 23 звездной величины на месте гамма-импульсных источников пока не найдено. Это может означать, что вспышки связаны с одиночными нейтронными звездами. В противном случае наблюдался бы оптический компонент двойной системы.

Тем больший интерес представляют результаты анализа старых пластинок Гарвардского Патруля, на которых была сфотографирована область неба, где 19 ноября 1978 г. наблюдался яркий гамма-импульс. Координаты источника этого импульса были измерены на космических аппаратах «Венера-11» и «Венера-12» с точностью, превосходящей 1. Эта область фотографировалась 17 ноября 1928 г. Всего последовательно были получены 4 пластинки, причем время экспозиции каждой из них было 40^m. На второй пластинке, в точности на том же месте, где спустя полвека наблюдался гамма-импульс, было получено довольно яркое пятнышко, соответствующее звездному объекту 10-й величины. На остальных пластинках никаких объектов ярче 15-й величины не было. Тщательный анализ удивительного пятнышка позволил прийти к выводу, что наблюдалась вспышка оптического излучения, длительность которой была во всяком случае меньше 10 минут. Недавно выполненные наблюдения на большом оптическом телескопе обнаружили на месте гамма-вспышки 19 ноября 1928 г. очень слабый объект 23-й величины.

Вряд ли можно сомневаться в том, что 17 ноября 1928 г. наблюдалась вспышка оптического излучения, скорее всего сопутствующая гамма-импульсу. Жалко, конечно, что тогда не было гамма-астрономии... Важным результатом описанных наблюдений является установление повторности вспышек. В случае явления 19 ноября 1978 г. интервал времени между импульсами, вероятно, меньше 50 лет или равен этой величине. Любопытно, что из всех гамма-импульсов, зарегистрированных на советских автоматических межпланетных станциях, не было ни одного «повторяющегося», т. е. принадлежащего одному и тому же источнику. Это обстоятельство имеет большое значение для оценки полного количества источников импульсного гамма-излучения.

При современной чувствительности детекторов этого излучения можно зарегистрировать (в среднем, конечно) 1 импульс в день. Если за пару лет работы детекторов не было замечено ни одного повторного импульса, то для данного источника средний интервал между ними заведомо превосходит 2—3 года. С другой стороны, в случае явления 19 ноября 1978 г. этот интервал, как мы видели, равен (или меньше) 50 годам. Можно, очень грубо, конечно, принять, что средний интервал между гамма-импульсами у источников составляет примерно 10 лет. За это время с современными средствами можно было наблюдать 3000 источников. Но все они (в среднем) — сравнительно близкие объекты. Из распределения источников импульсного излучения по небу следует, что никакой реальной концентрации их к галактической плоскости нет. Это означает, что даже слабейшие из них находятся от нас на расстоянии, меньшем, чем половина толщины «диска», соответствующего их пространственному распределению. Так как потоки излучения от самых ярких гамма-импульсов в несколько сот раз больше, чем от самых слабых, то последние находятся от нас в среднем в 20—30 раз дальше, чем самые близкие (и, следовательно, в среднем самые яркие) источники. Например, если самые близкие источники импульсного гамма-излучения удалены на расстояние 30 пс (расстояние до ближайших пульсаров), то самые слабые (т. е. в среднем далекие) будут находиться на расстоянии 1000 пс. Следовательно, мы можем наблюдать импульсные источники внутри сферы радиуса 1000 пс, что составляет 3 10^-4 объема Галактики. Значит, полное количество импульсов в Галактике за 10 лет составляет 10⁷. Одновременно мы таким образом получаем оценку полного количества источников импульсного гамма-излучения, так как среднее время между импульсами у одного источника выше было принято равным 10 годам.

Наша оценка, конечно, является очень грубой, а главное — содержит произвольные элементы (например, расстояние до ближайших источников). Дальнейшие наблюдения, особенно более слабых импульсов, позволят эту оценку существенно уточнить. Тем не менее уже сейчас видно, что полное число источников импульсного гамма-излучения в Галактике очень велико: оно заключено, вероятно, между 10⁶ и 10⁸. Ничего удивительного в этом нет. Вряд ли можно теперь сомневаться в том, что источниками импульсного гамма-излучения являются нейтронные звезды, число которых в Галактике должно быть очень велико, 10⁸. Это следует из частоты вспышек сверхновых II типа, в результате которых и образуются нейтронные звезды. Создается впечатление, что существенная, если не большая часть нейтронных звезд, когда-либо образовывавшихся в Галактике, время от времени излучает гамма-импульсы. Речь идет, главным образом, о старых объектах, возраст которых исчисляется многими миллиардами лет. Мы приходим к представлению, что более или менее периодически повторяющиеся всплески мягкого гамма-излучения есть фундаментальное свойство нейтронных звезд. Таким же свойством является их радиоизлучение, проявляющееся в феномене пульсаров. Однако, как мы видели в § 21, пульсары — это сравнительно молодые нейтронные звезды, возраст которых 2—3 миллиона лет, между тем как способность к импульсному гамма-излучению нейтронные звезды, по-видимому, сохраняют «до глубокой старости», когда их возраст исчисляется уже миллиардами лет.

Пока вопрос о причине самого явления гамма-всплесков у нейтронных звезд покрыт густым туманом. Можно только высказывать разного рода гипотезы. При всех условиях важно оценить энергетические соотношения. Если принять, что расстояние до ближайших источников импульсов около 30 пс, а поток энергии в импульсе 10^-4 эрг/см², то полная энергия излучения будет 10³⁷ эрг. За несколько миллиардов лет будет излучено 3 10⁴⁵ эрг — величина, ничтожно малая по сравнению с энергией гравитационной связи нейтронной звезды ( 10⁵³ эрг). Квазипериодический характер явления наводит на мысль о постепенном накоплении какой-то неустойчивости, которая время от времени как бы «сбрасывается». Вполне возможно, что существует глубокая связь между описанными в § 21 «звездотрясениями» и всплесками гамма-излучения. Такое «звездотрясение» может привести к сильнейшему возмущению магнитосферы нейтронной звезды, стимулирующему всплеск гамма-излучения. Другая гипотеза исходит из аналога «вулканического извержения», когда богатая нейтронами неравновесная материя недр нейтронной звезды прорывается через «трещины» на ее поверхность...

Только будущие наблюдения помогут сделать правильный выбор между различными, как правило, довольно экзотическими возможностями объяснения природы космических гамма-импульсов.

1975 год в рентгеновской астрономии прошел под знаком рентгеновских всплесков. Одновременно работающие три спутника — «АНС», «SAS-3» (США) и «Ариэль» (Англия) непрерывно получали богатый наблюдательный материал. Было установлено, что всплески, исходящие от NGC 6624, почти периодичны; наблюдалась последовательность всплесков, разделенных промежутками времени 0,22 суток. Впрочем, через месяц этот интервал сильно укоротился. Вскоре были обнаружены рентгеновские всплески от других шаровых скоплений, например, NGG1851, NGC 6388, NGC6541 и ряда других. Очень интересный источник рентгеновских всплесков был обнаружен около галактического центра. «Квазипериод» рентгеновских всплесков в этом случае оказался рекордно коротким, около 17 с. От этого источника уже наблюдалось несколько тысяч импульсов (см. рис. 23.15).

Любопытно отметить, что мощность каждого отдельного всплеска от указанного источника тем больше, чем длительнее «спокойный» интервал времени до последующего всплеска. Создается определенное впечатление, что всплеск определяется постепенным «накоплением» некоторого запаса энергии, которая затем быстро освобождается. Это может быть, например, накоплением газа в сильном магнитном поле магнитосферы нейтронной звезды с последующим быстрым «высыпанием» на ее поверхность. После того, как координаты этого источника были определены с точностью 1, на его месте в красных лучах было обнаружено дотоле неизвестное (из-за сильного межзвездного поглощения света) шаровое скопление.

В настоящее время (начало 1983 г.) 12 (из 35) таких источников рентгеновского излучения (получивших название «барстеров») отождествляются с шаровыми скоплениями, вернее, с их самыми центральными частями.

Рис. 23.15: Запись всплеска рентгеновского излучения от источника МХВ 1728—34.

Тот факт, что пространственное распределение барстеров такое же, как и шаровых скоплений, означает, что эти рентгеновские источники принадлежат к старейшему («второму») типу звездного населения нашей Галактики. По-видимому, значительная, если не большая, часть рентгеновских источников в туманности Андромеды (см. рис. 23.2) является барстерами. В этой галактике 17 из 224 обнаруженных рентгеновских источников находятся в шаровых скоплениях. Всего в М 31 насчитывается 237 шаровых скоплений, в то время как в нашей Галактике их около 150.

Выше, на стр. 696, мы уже говорили о двух типах рентгеновских источников в Галактике, имеющих, соответственно, «плоское» и «полусферическое» распределение. Теперь мы можем первые отождествить с массивными двойными системами типа Центавр Х-3, у которых «оптическим» компонентом является голубой массивный сверхгигант. Источники второго типа — это барстеры и сходные с ними старые объекты, у которых мощность рентгеновского излучения примерно такая же, как у источников I типа, но зато мощность оптического излучения в 1000 раз меньше. Хотя двойственность барстеров пока еще не доказана прямыми наблюдениями, вряд ли в этом можно сомневаться. Напрашивается вывод, что у барстеров и сходных с ними объектов оптическим компонентом является маломассивный красный карлик. Объектами, сходными по своей природе с барстерами, могут быть ярчайшие источники Скорпион Х-1 и Лебедь Х-2.

Вернемся теперь к «обычным» барстерам. Доказано, что они испускают рентгеновское излучение и в промежутках между вспышками. Существенно, что энергия, излученная между вспышками, примерно в сто раз превышает энергию, излученную при вспышках. Это обстоятельство имеет решающее значение для понимания природы рентгеновского излучения барстеров. Излучение барстеров в промежутках между вспышками обусловлено аккрецией газа от второго компонента двойной системы, подобно тому, как это происходит в массивных двойных системах. Однако, по мере накопления вещества на поверхности нейтронной звезды, возникают благоприятные условия для термоядерного взрыва на ее поверхности, вызывающего мощную вспышку рентгеновского излучения. При такой вспышке на грамм вещества выделяется c² энергии (где = 10^-3 — «упаковочный эффект» при синтезе ядер), а при аккреции на нейтронную звезду 0,1c² эрг/г. Теперь понятно, почему энергия, излучаемая между всплесками, примерно в 100 раз превосходит энергию, излучаемую при всплесках[ 59 ].

Существует полная аналогия между барстерами и обычными новыми звездами, вспышки которых обусловлены термоядерными взрывами водорода, скапливающегося на поверхности белого карлика. Оптической астрономии давно известны пекулярные звездные объекты, являющиеся тесными двойными системами, одна из компонент которых — белый карлик. Можно провести интересную аналогию между такими системами и системами, содержащими нейтронную звезду. Заметим, что свойства тесных двойных систем зависят еще от характера перетекания вещества на компактный объект (звездный ветер, перетекание через лагранжеву точку).

У классических новых звезд дана компонента (некомпактная) — красный карлик, а другая — белый, причем перетекание вещества осуществляется через лагранжеву точку. Если же одной из компонент белого карлика является красный гигант, наблюдаются «новоподобные» звезды. Их «рентгеновским аналогом» могут служить некоторые «временные» источники, о которых речь шла выше. У карликовых новых типа U Близнецов (см. гл. 14) ядерные вспышки на поверхности белого карлика не происходят. Рентгеновским аналогом таких систем могут быть старые источники типа Скорпион Х-1 и Лебедь Х-2.

Огромное увеличение чувствительности детекторов рентгеновского излучения на космической обсерватории «Эйнштейн» открыло возможность изучать сравнительно слабые источники. Было открыто и исследовано рентгеновское излучение от многих десятков звезд — «карликовых» новых типа U Близнецов, новоподобных и других пекулярных объектов. Исключительный интерес представляет исследование обычных звезд главной последовательности, рентгеновское излучение которых обусловлено их коронами. Сравнительный анализ корон у звезд разных спектральных классов совершенно по-новому поставил проблему солнечной активности.

Вернемся теперь к проблеме барстеров. Как объяснить тот удивительный факт, что более 1/3 их входят в состав шаровых скоплений, в которых заключена всего 1/3000 всех старых звезд? Скорее всего, такие двойные системы (красный карлик плюс нейтронная звезда) образовались только при захватах до этого одиночных звезд. При этом избыток энергии шел на возбуждение колебаний в толще красного карлика. Очевидно, захваты могли происходить только там, где звездная плотность очень велика, а относительные скорости малы. Такие условия реализуются в ядрах шаровых скоплений. Некоторые барстеры со временем могли покидать шаровые скопления. Да и шаровые скопления могли разрушаться. Именно таким образом могли возникнуть барстеры, не связанные с шаровыми скоплениями.

Основоположник теории внутреннего строения звезд выдающийся английский ученый А. С. Эддингтон был, как известно, крупнейшим знатоком общей теории относительности. Он впервые во время солнечного затмения в 1919 г. измерил предсказанное Эйнштейном отклонение светового луча от удаленной звезды в поле тяготения Солнца. Тем интереснее полное горького пессимизма замечание Эддингтона, что общая теория относительности — это «красивый, но бесплодный цветок». Это замечание во времена Эддингтона было совершенно справедливо. Действительно, если специальная теория относительности буквально за несколько лет «завоевала» физику, а в течение последних десятилетий и технику (например, электронику), то совсем по-другому сложилась судьба общей теории относительности. Похоже на то, что она была создана гением Эйнштейна явно преждевременно. В самом деле, со времени публикации окончательного варианта этой теории (1916 г.) прошло около 70 лет. Этот огромный период в истории науки можно разделить на две части: до 1963 г. и после 1963 г. В течение первого периода общая теория относительности занимала весьма обособленное положение в физике и астрономии, будучи с ними почти не связанной. Столь необычная ситуация объясняется ничтожно малой величиной поправок, которую в ньютонову теорию гравитации вносит общая теория относительности в «нормальных» лабораторных или космических условиях. В самом деле, эти поправки по порядку величины равны отношению ньютоновского гравитационного потенциала к квадрату скорости света, т. е. GM/c²R. Можно убедиться, что почти для всех объектов Галактики эти поправки меньше, чем 10^-6, и только для белых карликов с их сравнительно высоким гравитационным потенциалом поправки достигают 3 10^-4. В то же время применение эффектов общей теории относительности к космологии (Фридман) не могло контролироваться адекватными наблюдениями галактик, так как эти наблюдения ограничивались красными смещениями / = z 10^-2.

В сущности говоря, все величественное здание теории опиралось на три предсказанных ею эффекта, которые были настолько малы, что измерялись только на пределе возможности тогдашней измерительной техники. Речь идет об отклонении светового луча в поле солнечного тяготения, о гравитационном красном смещении и об очень медленном движении перигелия Меркурия. Диспропорция между величием теоретических построений и ничтожностью конкретных приложений была разительной.

Ситуация резко изменилась начиная с 1963 г., когда были открыты квазары с их огромным красным смещением, несомненно, космологической природы. Переменность оптического и радиоизлучения этих объектов приводит к выводу об их компактности, что в сочетании с их большими массами позволяет ожидать значительных релятивистских поправок к их гравитационному потенциалу. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение Вселенной, отражающее ее физическое состояние, когда она была в десятки тысяч раз моложе, чем сейчас. Тем самым релятивистская космология получила настоящий фундамент, основывающийся на конкретных астрономических наблюдениях. Еще через два года, в 1967 г., были открыты пульсары, оказавшиеся нейтронными звездами. Для них поправки, вносимые общей теорией относительности в ньютонову теорию гравитации, уже нельзя считать малыми. Наконец, в 1971 г. были открыты рентгеновские звезды, которые сделали вполне реальной проблему обнаружения черных дыр — объектов, которые просто нельзя понять без общей теории относительности.

Все эти выдающиеся открытия наблюдательной астрономии сделали наконец-то общую теорию относительности необходимой для изучения и понимания фундаментальных свойств Вселенной. С другой стороны, бурное развитие техники физических измерений, являющееся следствием переживаемой нами научно-технической революции, резко увеличило возможности наблюдательной проверки эффектов общей теории относительности. Если раньше экспериментальным основанием теории относительности было измерение известных трех эффектов (см. выше), то сейчас можно указать по крайней мере на 20 различных опытов, из которых 15 уже выполнены. Для выполнения этих весьма важных экспериментов широко используются достижения радиоастрономии, лазерной и космической техники, радиолокации. Например, ожидаемое различие в ходе часов на поверхности Земли и на спутнике, движущемся по синхронной орбите, равно P/P 5 10^-10, в то время как стабильность водородных мазерных часов составляет P/P 5 10^-13 за много месяцев. Приведем еще один пример. Согласно общей теории относительности, расстояние между Землей и Луней должно периодически меняться с амплитудой около 1 м, в то время как современная лазерная техника позволяет измерить это расстояние с точностью до 15 см. Наконец, стоит упомянуть, что отклонение луча в поле тяготения Солнца сейчас с наибольшей точностью измеряется радиоинтерферометрическим методом, причем источниками радиоизлучения являются квазары. В ближайшие годы точность этих измерений будет доведена до 10^-3 от измеряемой величины. Новые прецизионные измерения позволят уточнить общую теорию тяготения, которую, как всякую живую область науки, отнюдь нельзя считать законченной и раз навсегда данной.

Мы сейчас остановимся на эффектах общей теории относительности, которые следует ожидать на заключительной стадии эволюции некоторых звезд. Речь пойдет о едва ли не самой «горячей» проблеме современной астрофизики — проблеме черных дыр. Как уже неоднократно упоминалось, после исчерпания запасов ядерного горючего достаточно массивные звезды (M > 2,5M) должны катастрофически сжиматься «в точку», так как никакая сила уже не может противодействовать сжимающей такую звезду силе гравитации. В принципе, конечно, такая звезда может на заключительной фазе своей эволюции сбросить (например, во время взрыва, приводящего к образованию сверхновой) «лишнюю» массу, и тогда катастрофически сжимающаяся звезда «застабилизируется» как нейтронная. Трудно, однако, ожидать, чтобы звезда на этой фазе эволюции «точно знала», сколько ей надо сбросить массы, чтобы катастрофического сжатия в точку не произошло. Во всяком случае, не видно причин, почему бы не существовали достаточно массивные звезды, которые в конце своей эволюции неограниченно сжимались бы. Так как во время гравитационного коллапса механическое равновесие звезды нарушается резко (т. е. сила тяготения на конечную величину превосходит силу, вызванную перепадом газового давления), то сжатие звезды происходит практически со скоростью свободного падения. Через время t₁ 1/ звезда сожмется достаточно сильно для того, чтобы гравитационный потенциал стал таким большим, что необходимость учета поправок общей теории относительности становится очевидной. Если, например, средняя плотность звезды при начале коллапса 10⁶ г/см³ (что близко к плотности изотермического вырожденного ядра у проэволюционировавшей звезды), то t₁ 1 с.

Задача о характере поля тяготения в сферически-симметричном случае с учетом эффектов общей теории относительности сразу же после опубликования классической работы Эйнштейна была точно решена выдающимся немецким астрофизиком К. Шварцшильдом (отцом ныне здравствующего профессора М. Шварцшильда, так много сделавшего для теории эволюции звезд). Пользуясь решением К. Шварцшильда, можно найти зависимость радиуса коллапсирующей звезды от времени так, как это представляется по часам «внешнего» (например, земного) наблюдателя:

(24.1)

где r_g = 2GM/c² — так называемый «гравитационный радиус», а сфера радиуса r_g называется «сферой Шварцшильда». Заметим, что для Солнца r_g = 2,96 км, а для Земли r_g = 0,44 см, r₁ — радиус звезды в момент t₁, причем в формуле (24.1) предполагается, что (r₁ - r_g) r_g. Напомним, что радиусы нейтронных звезд только в несколько раз больше их гравитационного радиуса. Применение решения К. Шварцшильда к проблеме коллапса невращающейся звезды вполне законно, так как мы можем рассматривать движение каждой точки на поверхности коллапсирующей звезды как свободное падение в сферически-симметричном поле тяготения. Из формулы (27), таким образом, следует, что с точки зрения внешнего наблюдателя при приближении r к r_g скорость сжатия асимптотически замедлится практически до нуля. Внешний наблюдатель никогда не зафиксирует переход сжимающейся звезды под сферу Шварцшильда — ведь по его часам для этого сжимающейся звезде потребуется бесконечно большое время. А между тем воображаемый наблюдатель, находящийся на сжимающейся звезде и коллапсирующий вместе с ней, никаких особенностей, связанных с пересечением сферы Шварцшильда, не заметит. По его часам пройдут считанные секунды, в течение которых звезда и он сам сожмутся в точку. Здесь эффекты общей теории относительности проявляют себя самым разительным образом. Грубо говоря, смысл этих эффектов состоит в том, что в очень сильном гравитационном поле скорость течения всех процессов (по часам внешнего наблюдателя) крайне замедляется.

С точки зрения внешнего наблюдателя в процессе гравитационного коллапса светимость звезды при приближении ее радиуса к гравитационному будет катастрофически быстро падать. Это падение светимости обусловлено совместным действием гравитационного красного смещения, эффекта Доплера и аберрации света. На основе теории К. Шварцшильда можно получить следующее выражение для зависимости светимости коллапсирующей звезды от времени:

(24.2)

В пределе при t светимость L 0, так же как и частота излучения. Для наблюдателя же, связанного с коллапсирующей звездой, светимость (по его часам!) может даже расти. С точки зрения же внешнего наблюдателя коллапсирующая звезда практически перестанет излучать и прекратит свое сжатие у r r_g за время (по его часам!) r_g/c, т. е. 10^-5 с. Сказанное относится не только к фотонному, но и к нейтринному излучению коллапсирующей звезды. Как показал В. Л. Гинзбург, магнитное поле коллапсирующей звезды при r r_g также как бы исчезает для внешнего наблюдателя.

Таким образом, для внешнего наблюдателя за очень короткое время 10^-5 с коллапсирующая звезда как бы «пропадает». Такой объект получил весьма образное название «черной дыры». Никакое излучение — фотонное, нейтринное или корпускулярное,— из такой «дыры» уже не выходит. Единственное, что остается от этой звезды для внешнего мира,— это ее гравитационное поле, определяемое массой. Если, например, в двойной системе одна из компонент сколлапсирует, то это ничуть не отразится на движении второй компоненты.

Учет вращения звезды осложняет картину гравитационного коллапса, но качественно ее не меняет. Следует, однако, подчеркнуть, что никакое вращение не может предотвратить коллапс. Конечной стадией эволюции достаточно массивных объектов после исчерпания запасов ядерной энергии должен быть коллапс.

Точное решение задачи общей теории относительности для сферически-симметричного вращающегося гравитирующего тела было дано сравнительно недавно, в 1963 г., Керром. Это решение отличается большим изяществом и открывает возможность для довольно любопытных теоретических умозаключений. Применение этого решения к проблеме коллапса вращающейся звезды имеет своим следствием только некоторое отличие характеристик гравитационного поля вблизи сколлапсировавшей звезды от шварцшильдовского решения. Итак, от сколлапсировавшей звезды остаются для внешнего наблюдателя только ее характеристики: 1) масса M, 2) вращательный момент K. Характерное «стирание» индивидуальных характеристик коллапсирующих звезд при их асимптотическом приближении к гравитационному радиусу известный американский физик Уиллер пояснил таким афоризмом: «черные дыры не имеют волос...»

В последние годы теоретики довольно много занимались абстрактными математическими свойствами черных дыр. Например, исследовались возможности столкновения черных дыр с обыкновенными звездами и между собой. Оказывается, что после таких столкновений могут образовываться новые черные дыры, причем в течение короткого времени r_g/c 10^-5 с они будут находиться в сильно возмущенном состоянии, характеризующимся мощным излучением гравитационных волн (см. ниже), после чего они опять «успокаиваются». Самым общим образом было доказано несколько важных математических теорем о черных дырах. Сформулируем две из них: а) образовавшаяся каким-либо способом черная дыра никогда не может быть разрушена; б) одна черная дыра никогда не может разделиться на две черные дыры, хотя обратный процесс возможен.

Недавно, однако, английский теоретик Хоукинг показал, что, строго говоря, теорема а) неверна: образовавшиеся каким-либо образом черные дыры очень малой массы с течением времени как бы «испаряются». Остановимся на этом любопытном феномене, казалось бы, разрушающем все наши представления о черных дырах, более подробно. Согласно взглядам современной физики, вакуум представляет собой отнюдь не абсолютную пустоту, в которой движутся различные материальные тела. На самом деле вакуум — как бы огромный резервуар, наполненный всевозможными, так называемыми «виртуальными» частицами и античастицами.

При отсутствии внешних воздействий (например, полей) эти «виртуальные» частицы не «материализуются», их как бы нет. Однако достаточно сильные или переменные поля (электрическое, гравитационное) вызывают превращения виртуальных частиц в материальные, которые вполне могут быть наблюдаемы.

Хоукинг обратил внимание на то, что коллапсирующую звезду нельзя считать абсолютно застывшей. Характерное время изменения всех процессов, очевидно, равно гравитационному радиусу, поделенному на скорость света, т. е.

(24.3)

Другое дело, что сама величина этих процессов по мере гравитационного коллапса становится очень малой — звезда как бы застывает. Суть дела, однако, в том, что изменяющееся гравитационное поле «материализует» только те виртуальные частицы (например, фотоны), у которых частота равна характерной частоте изменения гравитационного поля, т. е. _g = = . Поэтому в гравитационном поле «застывшей» звезды — черной дыры должны непрерывно рождаться кванты с частотой, равной _g. Имеет место своеобразный резонанс.

Согласно расчетам Хоукинга, черная дыра с массой М излучает как абсолютно черное тело, температура которого

(24.4)

где =  — постоянная Планка, k = 1,4 10^-16 — постоянная Больцмана. Мощность излучения черной дыры

(24.5)

где M — масса черной дыры, выраженная в граммах.

За счет этого излучения черная дыра теряет массу, а размеры ее непрерывно уменьшаются. Из формул (24.4) и (24.5) видно, что для «обычных» черных дыр, масса которых M = 2 10³³ г, температура T 10^-7 К, а мощность излучения примерно равна 10² эрг/с, т. е. ничтожно мала. Такие звездные дыры излучают в диапазоне сверхдлинных (многокилометровых) радиоволн. Другое дело, если масса черной дыры маленькая. Такие «мини-дыры» в принципе могут существовать как «реликт» отдаленной эпохи, когда возраст Вселенной был значительно меньше микросекунды. По мере «таяния» («испарения») малой черной дыры мощность излучения и его жесткость будет расти и в конце концов малый остаток дыры как бы взорвется, породив вспышку жесткого гамма-излучения. Любопытно отметить, что последние 10⁹ г черная дыра излучает за 0,1 с. За это время вырабатывается энергия mc² = 10³⁰ эрг, соответствующая энергии взрыва миллиона мегатонных водородных бомб! Время жизни черной дыры определяемое таким процессом испарения, будет

(24.6)

Отсюда видно, что если черные дыры образовались 10¹⁰ лет тому назад, когда Вселенная была очень маленькая и плотная, то до нашей эпохи могли «дожить» только такие дыры, масса которых больше 10¹⁵ г. Именно такие дыры (если они, конечно, существуют...) и должны «взрываться» в наше время. Из того факта, что таких вспышек мы не наблюдаем, можно сделать вывод, что по крайней мере в Солнечной системе таких «реликтов» нет и что только очень малая часть массы Вселенной может находиться в форме малых черных дыр. Любопытно отметить, что у черной дыры с массой 10¹⁵ г, т. е. миллиард тонн, гравитационный радиус 10^-13 см, что близко к классическому радиусу электрона...

Огромный теоретический интерес представляет характер коллапса с точки зрения воображаемого наблюдателя, находящегося на коллапсировавшем теле. Как уже говорилось, момент прохождения сжимающейся звездой шварцшильдовской сферы для такого наблюдателя ничем не выделен. Хотя полной ясности по поводу судьбы сжимающейся звезды у ученых пока нет, все же не видно причин, почему бы ей не сжаться в точку. Высказывались робкие надежды, что ситуация может быть другой при плотности 10⁹³ г/см³ (!). При таких плотностях должны становиться существенными квантовые явления в сильных гравитационных полях, хотя что это такое, никто толком сейчас не знает. Разумеется, как уже подчеркивалось выше, с точки зрения внешнего наблюдателя такая ситуация никогда не реализуется. Но это не значит, что обсуждение этой проблемы лишено какого бы то ни было физического смысла. Ведь шварцшильдовская сфера существует отнюдь не только у звезд. Любая масса, в частности, сколь угодно большая, имеет свой гравитационный радиус. Известно, что если бы средняя плотность вещества во Вселенной превосходила 10^-29 г/см³, Вселенная была бы замкнутой. Но это то же самое, что вся Вселенная находилась бы под своим гравитационным радиусом. При современном уровне наблюдательной астрономии нельзя исключить возможность. того, что если не вся Вселенная, то ее отдельные, достаточно большие и массивные части находятся внутри своих шварцшильдовских сфер. Например, некоторые теоретики считают, что в ядрах галактик имеются весьма массивные черные дыры. Заметим, что средняя плотность вещества внутри шварцшильдовской сферы 1/M². Поэтому, если масса черной дыры M достаточно велика (например, 10⁸ 10⁹M), то средняя плотность будет сравнительно низкой, и там, в принципе, могут находиться не только воображаемые, но и вполне реальные наблюдатели. Таким образом, вопрос о том, сжимается ли коллапсирующий объект в точку (т. е. до бесконечно высокой плотности) или что-то ему это сделать мешает, представляет отнюдь не абстрактный интерес. Еще раз подчеркнем, что однозначного ответа на этот вопрос пока еще наука не дает.

Однако при всей важности этих проблем для астрофизиков (да и не только астрофизиков) основное — это обнаружить во Вселенной реальные (так сказать, «живые», хотя и лишенные «собственных волос») черные дыры.

В принципе сейчас можно указать по крайней мере на три вида таких наблюдений: 1. Поиски «невидимых» черных дыр в двойных (или кратных) звездных системах. 2. Поиски черных дыр в двойных звездных системах, являющихся мощными источниками рентгеновского излучения. 3. Поиски гравитационного излучения, сопутствующего коллапсу.

Что касается поисков невидимых, но достаточно массивных компонент в двойных системах, то следует заметить, что эта задача столь же трудна, как и неопределенна. Хотя разные авторы в последние годы обращали внимание на несколько «подозрительных» двойных систем (в том числе знаменитая система Лиры, а также Близнецов, Водолея и ряд других объектов), результаты их анализа все же не отличаются определенностью, а главное, однозначностью. Ведь «невидимость» массивной компоненты не обязательно объясняется ее «чернодырной» природой. Звезды обнаруживают удивительное разнообразие характеристик, особенно в двойных системах (см. § 14). Кроме того, нельзя исключить возможность того, что вокруг «подозреваемой» звезды имеется пылевое облако, делающее ее невидимой.

Значительно более перспективными представляются попытки обнаружить черные дыры в тесных двойных системах по рентгеновскому излучению одной из компонент. В предыдущем параграфе мы уже довольно подробно обсуждали рентгеновские пульсары, являющиеся нейтронными звездами, излучающими в рентгеновском диапазоне по причине аккреции. Можно себе представить совершенно таким же образом тесную двойную систему, одной из компонент которой является черная дыра. «Оптическая» компонента у такой системы может заполнять свою полость Роша и мощная струя газа будет падать на черную дыру. Так как струя газа несет с собой большой вращательный момент, то она образует вокруг черной дыры быстро вращающийся газовый диск. Частицы, образующие диск, будут вращаться вокруг черной дыры приблизительно по закону Кеплера. Из-за вязкости частицы диска будут непрерывно терять вращательный момент и часть их будет постепенно «оседать» в черную дыру. В процессе такого оседания, как можно показать, газ будет излучать во внешнее пространство часть своей гравитационной потенциальной энергии.

В процессе оседания газа в черную дыру температура внутренних частей диска станет очень высокой. Такой диск может быть мощным источником рентгеновского излучения. Мощность и спектр излучения в первом приближении такие же, как и от нейтронных звезд — рентгеновских пульсаров. Разумеется, рентгеновское излучение при аккреции газа на черную дыру не может носить характер строго периодических импульсов (как у Геркулеса Х-1 и Центавра Х-3). Но ведь далеко не все рентгеновские пульсары — нейтронные звезда — излучают «секундные» импульсы. Этому может, например, помешать сильное рассеяние или «неблагоприятная» (по отношению к земному наблюдателю) ориентация оси вращения нейтронной звезды. В то же время рентгеновский источник — горячий компактный диск, вращающийся вокруг нейтронной звезды, может из-за своего орбитального движения вокруг «оптической компоненты» периодически затмеваться точно так же, как и рентгеновский пульсар.

Таким образом, в принципе, среди рентгеновских источников — компонент тесных двойных систем могут быть и черные дыры. Решающий тест, позволяющий отличить черную дыру от нейтронной звезды, состоит в определении массы такого рентгеновского источника. К сожалению, эта задача оказывается далеко не простой. Из зависимости лучевых скоростей оптической звезды от времени, вызванной ее орбитальным движением вокруг центра тяжести системы, можно получить только функцию масс (см. § 1), но отнюдь не массу «невидимого» рентгеновского источника. Если бы рентгеновский источник имел пульсирующую строго периодическую компоненту, то в сочетании с анализом кривой лучевых скоростей оптической компоненты можно было бы определить массы каждой из компонент. Но в случае рентгеновского источника, связанного с черной дырой, пульсирующей компоненты в рентгеновском излучении не может быть. При такой ситуации приходится применять разного рода косвенные методы, далеко не всегда надежные.

Рис. 24.1: Схема, поясняющая вариации лучевых скоростей линии Не II 4486 в «антифазе» с линиями поглощения оптической компоненты системы.

Уже несколько лет обсуждается возможность того, что яркий рентгеновский источник Лебедь Х-1 обусловлен черной дырой. Как известно, этот источник надежно отождествляется с яркой звездой класса В, у которой длины волн спектральных линий меняются с периодом 5,6 дня. И вот появилось сообщение, что длина волны линии излучения ионизованного гелия в спектре этой звезды меняется с тем же периодом, но с противоположной фазой. Если бы эти наблюдения подтвердились, то естественно было бы считать, что эта линия излучения возникает не в атмосфере «оптической» звезды, а в газовой струе около рентгеновского источника или в окружающем его диске. Тогда понятно, почему изменения лучевых скоростей этой линии противоположны по фазе изменениям лучевых скоростей других линий (рис. 24.1). Из измеренного отношения амплитуд лучевых скоростей, как легко понять, непосредственно находится отношение масс. Так как масса оптической звезды класса В около 20M, а отношение амплитуд лучевых скоростей как будто оказалось равным 1 : 2, то сразу же следовал важнейший вывод, что масса рентгеновской звезды около 10M. Так как верхний предел массы нейтронных звезд около 2,5M, то выходило, что источник Лебедь Х-1 — черная дыра. Большинство исследователей в настоящее время (1983 г.) считают, что компактная рентгеновская компонента Лебедя Х-1 имеет массу, превышающую шесть солнечных, следовательно, является черной дырой.

С проблемой сверхмассивных черных дыр должна быть тесно связана общая проблема активности ядер галактик и квазаров, которой уделялось так много времени в астрономии в течение последнего десятилетия.

Теперь настала пора поговорить о приеме гравитационного излучения как методе обнаружения коллапса звезд. Но прежде всего читатель должен получить хотя бы самое общее представление о гравитационных волнах.

Рис. 24.2: Схема гравитационного квадруполя.

Из закона всемирного тяготения Ньютона следует, что гравитационная сила убывает с расстоянием как r^-2. Заметим, однако, что вызывающее притяжение тело предполагается при этом точечным либо сферическим. Представим себе теперь, что притяжение вызывают массы, движущиеся в пределах области, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до точки наблюдения. В этом случае мы можем разделить силу притяжения в точке наблюдения на две части. Первая часть, являющаяся главной, равна GM/r², где M — сумма масс тел, а r — расстояние от точки наблюдения до центра тяжести системы масс, вызывающих притяжение. Вторая часть силы притяжения носит характер небольшой добавки и зависит от относительного расположения масс. Можно показать, что по порядку величины эта «добавка» равна GMa²/r⁴. На рис. 24.2 приведена простейшая схема, иллюстрирующая сказанное. Дополнительная сила в этом случае равна + - (где положено M₁ = M₂ = M). Величина, пропорциональная Ma²г, носит название «квадрупольный момент». Квадрупольный момент отличен от нуля не только для системы тел, но и для любого несимметричного тела (например, трехосного эллипсоида). Квадрупольный момент может меняться со временем. Так будет, например, у двойной звездной системы или вращающегося несимметричного тела. В этих случаях он будет меняться со временем строго периодически. Следовательно, на основании ньютоновской теории тяготения обусловленное квадрупольным моментом ускорение «пробной» частицы в точке наблюдения будет также периодически меняться с той же фазой, без всякой «задержки». Ведь теория Ньютона исходит из концепции мгновенного дальнодействия.

Обратим теперь внимание на то, что в поле тяготения регистрирующие приборы могут измерять только относительные ускорения, т. е. разность ускорений в двух точках. Относительное ускорение от точечного или сферически-симметричного тела меняется с расстоянием как 1/r³ — это хорошо известное выражение для приливных сил. Квадрупольная составляющая гравитации от системы тел или несимметричного тела вызывает относительное ускорение, равное GMa²l/r⁵, где l — расстояние между двумя пробными частицами. Мы видим, что это относительное ускорение очень быстро убывает с расстоянием.

Релятивистская теория тяготения в этом пункте радикально расходится с ньютоновской. Согласно общей теории относительности для r > ct (где t — характерное время изменения квадрупольного момента, например, период орбитального движения двойной системы звезд или период осевого вращения несимметричного тела), относительное ускорение, обусловленное квадрупольным моментом, меняется не как r^-5, а как r^-1. При этом, если изменение со временем квадрупольного момента носит периодический характер, фаза этих относительных ускорений смещена на величину r/cr. Все это означает, что меняющийся со временем квадрупольный момент гравитирующего тела (или системы тел) создает на больших расстояниях специфическое гравитационное поле, имеющее характер распространяющейся со скоростью света волны. Можно показать, что гравитационные волны поперечны и поляризованы.

Принципиальное различие между эйнштейновской и ньютоновской теорией тяготения ярко выявляется на примере кеплеровского движения в двойной звездной системе. Согласно классической теории Ньютона такая система (если считать, что звезды имеют «точечные» размеры) сколь угодно долго сохраняет свою энергию. Наоборот, согласно теории тяготения Эйнштейна такая система должна непрерывно терять энергию на излучение гравитационных волн. Этот эффект особенно силен для тесных двойных систем (см. § 22, где речь шла о возможности объяснения пульсаров системами двойных нейтронных звезд). На достаточно больших расстояниях от двойной системы относительное ускорение, обусловленное гравитационной волной, на много порядков превосходит обычное приливное «статическое» ускорение, создаваемое такой системой, которое убывает как r^-3.

Какие же космические объекты являются источниками гравитационного излучения? Прежде всего — это тесные двойные (или кратные) системы. Усредненная по периоду обращения мощность гравитационного излучения от двойной системы дается формулой

(24.7)

причем частота гравитационного излучения равна удвоенной частоте орбитального движения (т.е. 4/T, где T — период системы), M₁ и M₂ — массы компонент, a — большая полуось орбиты, f(e) — некоторая функция эксцентриситета орбиты e, меняющаяся с ростом e от 1 до весьма больших значений. По этой формуле можно найти, что мощность гравитационного излучения Юпитера, движущегося по своей орбите, L_g = 5 10¹⁰ эрг/с — величина совершенно ничтожная ( 5 киловатт — всего лишь!). Однако у тесных двойных систем мощность гравитационного излучения несравненно больше. У некоторых систем (например, UV Льва) она доходит до 2 10³² эрг/с, что составляет 5% от светимости Солнца. Потоки гравитационного излучения от ближайших к нам таких звездных систем доходят до 10^-10 эрг/см² с. Это близко к потоку световой энергии от звезды 15-й видимой величины. Полный поток гравитационного излучения на Земле от всех звезд в Галактике должен быть около 10^-9 эрг/см² с, причем частота этого излучения, определяемая средними орбитальными периодами, порядка 10^-4 с^-1.

Другим источником гравитационного излучения являются вращающиеся вокруг своих осей звезды с несимметричным распределением массы (например, трехосные эллипсоиды). Мощность гравитационного излучения- такой звезды определяется формулой (22.3) (см. § 22).

Частота излучаемых гравитационных волн равна удвоенной частоте осевого вращения, что является общим свойством квадрупольного излучения. Обращает на себя внимание очень сильная зависимость L_g от . Из нее следует, что из всех вращающихся звезд наиболее сильное гравитационное излучение следует ожидать от пульсаров и прежде всего от самого короткопериодичного пульсара, расположенного в Крабовидной туманности. В § 20 мы уже обратили внимание на несоответствие возраста этого пульсара, полученного из анализа его торможения (1170 лет), и реального возраста Крабовидной туманности (920 лет). Это несоответствие можно устранить, если предположить, что наряду с магнитодипольным излучением и «пульсарным ветром» этот пульсар излучает гравитационные волны, причем мощность последних составляет 20% от полной излучаемой мощности и достигает   --2 10³³ эрг/с. Такое гравитационное излучение согласно формуле (22.3) § 22 будет иметь место при значении «параметра трехосности» _e = 10^-4, т. е. при совершенно ничтожном отклонении формы нейтронной звезды от сфероида. Если несоответствие вычисленного и «реального» возрастов пульсара NP 0531 объясняется его гравитационным излучением, то поток последнего у Земли будет 3 10^-7 эрг/с, что в сотни раз больше, чем от самых «благоприятных» двойных систем. При будущих попытках обнаружения гравитационного излучения от этого пульсара большое значение будет иметь знание с огромной точностью частоты гравитационного излучения и изменений этой частоты со временем. Автор этой книги глубоко убежден, что если когда-нибудь будет обнаружено гравитационное излучение от какого-либо космического объекта, то этим объектом будет пульсар в Крабовидной туманности. Последняя, как мы знаем, уже не раз обогащала астрономическую науку открытиями, первостепенной важности. Я верю, что эта замечательная туманность и в будущем останется верной этой хорошей традиции...

От каких еще объектов можно надеяться в будущем обнаружить гравитационное излучение? Оказывается, что мощный импульс такого излучения длительностью короче секунды следует ожидать в момент гравитационного коллапса звезды, сопутствующего ее взрыву как сверхновой. Конечно, в нашей Галактике такие явления происходят чрезвычайно редко, примерно раз в столетие. Но количество энергии в гравитационном импульсе может быть настолько велико ( 10⁵⁰ эрг!), что даже если сверхновая вспыхнет не в нашей Галактике, а в какой-либо другой звездной системе, удаленной от нас на десятки миллионов парсек, то поток от нее будет достаточно велик. Спектр этого гравитационного излучения довольно широкий. Наконец, нельзя исключить, что специфические, пока еще не нашедшие объяснения процессы, происходящие в ядрах галактик (в том числе и нашей Галактики) могут приводить к «всплескам» гравитационного излучения. Таким образом, со всех направлений неба следует ожидать весьма кратковременных импульсов гравитационного излучения от весьма удаленных объектов. Разумеется, прогнозировать моменты таких импульсов нет никакой возможности. Нужна специальная служба неба, причем гравитационных детекторов должно быть несколько. Дело в том, что такие детекторы будут непрерывно регистрировать разного рода помехи, в особенности «микросейсмы», т. е. непрерывные колебания земной коры. Только совпадающие по времени импульсы, полученные на разных станциях, должны приниматься в расчет. Несомненно, что обнаружение (в будущем) гравитационного излучения от таких объектов, как взрывающиеся звезды и ядра галактик, обогатит астрономию принципиально новым методом исследования, возможности которого сейчас очень трудно предвидеть[ 60 ].

В заключение этого параграфа стоит сказать хотя бы несколько слов о технике экспериментов по измерению гравитационного излучения. Прежде всего необходимо подчеркнуть исключительную трудность этой задачи. Дело в том, что сама величина относительного ускорения пробного тела, которую надлежит измерить, невообразимо мала. Например, если два пробных тела удалены друг от друга на расстояние земного радиуса (6,3 10⁸ см), то относительное ускорение в поле гравитационной волны, излученной двойной системой, удаленной от нас на расстояние 10 пс, в которой массы компонент близки к массе Солнца, а период обращения составляет 8 часов, будет 10^-24 см/с². Никакая современная измерительная техника не может даже помышлять об измерении таких ничтожно малых величин. Тем не менее приемники гравитационного излучения (рассчитанные, конечно, на прием несравненно больших мощностей) разработаны и первые эксперименты уже проведены.

Мыслимо много типов приемников гравитационного излучения. Общим свойством предложенных схем является предельное использование всех возможностей современной измерительной техники, основывающейся в значительной степени на электронике. Однако реальных измерений гравитационного излучения, которые были бы вполне достоверны, пока еще нет.