Ядерные взрывы в двойных звездных системах

 

В чем же причина резкого высвобождения огромного количества энергии в двойной системе, вследствие которого на короткое время яркость объекта увеличивается в десятки тысяч раз?

Идея, позволившая дать ответ на этот вопрос, восходит к Мартину Шварцшильду, к Роберту Крафту, работающему в настоящее время в Ликской обсерватории, и к расчетам, проведенным Пьетро Джанноне (сейчас он в Римской обсерватории) и Альфредом Вайгертом в 60-е годы в Гёттингене. Теорию разработал Самнер Старфилд со своими коллегами из Университета шт. Аризона в Темпе.

Хотя в своих глубинах белый карлик достаточно горяч, чтобы там могла начаться водородная термоядерная реакция, он образовался в центральной области красного гиганта, где водород давно уже превратился в гелий, да и гелий, по всей вероятности, преобразован в углерод. Поэтому внутри белого карлика водорода нет. Но газ, который поступает на белый карлик от соседней звезды главной последовательности, богат водородом. Вначале вещество попадает на относительно холодную поверхность карлика, где температура слишком низка для возникновения термоядерной реакции. На поверхности образуется богатый водородом слой, который со временем становится все плотнее. Этот слой подогревается снизу, там, где он контактирует с веществом белого карлика. Так продолжается до тех пор, пока температура слоя не достигнет примерно 10 миллионов градусов. При этой температуре водород «вспыхивает», и гигантский взрыв уносит всю водородную оболочку в пространство. Старфилд и его коллеги рассчитали на ЭВМ модель такой водородной бомбы на поверхности белого карлика, и эта модель, судя по всему, хорошо объясняет феномен новых звезд.

В пользу этого говорит и тот факт, что многие новые (а возможно, и все) вспыхивают периодически. Так, в 1946 г. в созвездии Северная Корона была отмечена Новая, которая уже вспыхивала в 1866 г. У некоторых новых наблюдались три и более вспышек (рис. 9.9). Повторные вспышки хорошо согласуются с теорией. После взрыва звезда главной последовательности, с которой ничего не происходит, продолжает питать белый карлик веществом, богатым водородом. На поверхности карлика вновь образуется «взрывоопасный» слой, который взрывается, когда температура его становится достаточно высокой для начала термоядерной реакции.

 

Рис. 9.9. Вспышки Новой Т Компаса регулярно повторяются. Они наблюдались в 1890, 1902, 1920, 1944, 1966 годах.

 

Пока не удалось еще установить, является ли Новая Лебедя 1975 года двойной системой. Астрофизики поэтому пытаются выяснить, не может ли на поверхности одиночного белого карлика образоваться богатый водородом слой из межзвездного вещества. Но, возможно, эти попытки преждевременны, и нужно подождать, пока система не успокоится после вспышки, и тогда можно будет установить, что она является двойной, как и другие новые. Возможно также, что нам не удастся это установить вообще: ведь если мы смотрим на двойную в направлении, перпендикулярном плоскости ее орбиты, то не можем определить существование двойной системы ни по доплеровскому смещению (см. приложение А), ни по покрытию одной компоненты другой.

Тесные двойные системы, в которых вещество переходит с одной звезды на другую, открыли для нас ряд новых явлений. Кажущийся парадокс Алголя и загадка «разновозрастных» звезд системы Сириуса разрешены. Двойные звезды подарили нам феномен новых. И наконец, с двойными звездами связаны самые поразительные, видимо, из известных небесных тел двойные рентгеновские звезды.

 

 

Глава 10

Рентгеновские звезды

 

«Профессор Рентген выступал вчера вечером в Физическом обществе перед профессорами и генералами о своих икс-лучах под бурные овации… Многочисленные демонстрации прекрасно удались, лучи проходили сквозь бумагу, жесть, дерево, свинец, и, наконец, через руку Рентгена и профессора Кёлликера… Кёлликер предложил назвать новое явление „рентгеновыми лучами“ (бурные аплодисменты). Рентген благодарил в глубоком волнении. Кёлликер провозгласил здравицу в честь Рентгена. За 48 лет в Обществе не происходило столь эпохального заседания. Присутствовали также многочисленные студенты и прочая публика».

Fränkisches Volksblatt, 24 января 1896 года

 

В этой главе речь пойдет о звездах, которые в отличие от Солнца не излучают энергию, воспринимаемую глазом. Излучение этих звезд лежит в области, недоступной нашим органам чувств — об этом излучении люди ничего не знали до 1895 г., когда его случайно открыл Вильгельм Конрад Рентген в Вюрцбурге.

На первый взгляд может показаться удивительным, что в космосе возникает рентгеновское излучение. Приходя в медицинский рентгеновский кабинет, мы видим, какая сложная аппаратура требуется для получения рентгеновских лучей. Как же могут они возникать в космосе? В принципе, процесс один и тот же: в медицинской установке электроны, движущиеся с большой скоростью, резко тормозятся, и при этом возникает рентгеновское излучение. Когда в природе газ нагревается до миллионов градусов, электроны движутся с огромной скоростью. Когда такой электрон приближается к атомному ядру, он тормозится или отклоняется электрическим полем ядра, и возникает такое же излучение, как и в рентгеновской трубке.

Температура короны-газовой оболочки Солнца — составляет около двух миллионов градусов. Быстрые электроны здесь в результате столкновений с атомными ядрами то и дело тормозятся и снова ускоряются. При этом возникает рентгеновское излучение: солнечная корона посылает в пространство рентгеновское излучение, которое удается фотографировать со спутников. Так что даже такая безобидная звезда как Солнце доказывает нам, что во Вселенной может возникать рентгеновское излучение. Однако на рентгеновское излучение приходится лишь малая доля энергии излучения Солнца. Рентгеновские же звезды — это точечные небесные объекты, у которых основная часть излучения приходится на рентгеновскую область спектра. Рентгеновские звезды известны всего несколько лет, но то, что за это время удалось о них узнать, делает их удивительнейшими небесными телами.

 

Спутник «Ухуру»

 

Приходящее из космоса рентгеновское излучение не проходит через атмосферу нашей планеты — оно поглощается уже в самых верхних слоях воздуха. Поэтому рентгеновская астрономия возникла лишь тогда, когда удалось поднять телескопы с дистанционным управлением в верхние слои атмосферы с помощью аэростатов и ракет. Первые попытки были связаны с исследованиями рентгеновского излучения Солнца, с измерением рентгеновского излучения короны, но вскоре ученые стали охотиться и за рентгеновским излучением, приходящим по другим направлениям. Так началась новая глава в современной астрофизике.

Часто бывает трудно восстановить подлинную историю того, как был сделан тот или иной крупный шаг в современной науке. Время великих одиночек прошло, в особенности в экспериментальных науках. Ученый работает в группе, ездит по конференциям, получает информацию от других, перерабатывает ее в соответствии с собственными представлениями и приводит все в согласие с идеями своих соавторов. Когда же сообщение появляется в печати, речь идет только о результате, и читатель редко узнает, какой путь привел к этому результату.

История открытия рентгеновских звезд, если рассказывать ее во всех деталях, потребовала бы отдельной книги. Об этом, кстати, писал в своей докторской диссертации Ричард Хирш в Университете шт. Висконсин в США. Здесь я расскажу лишь о некоторых событиях, приведших к появлению рентгеновской астрономии, назову только некоторые имена из многочисленной армии физиков, астрономов и инженеров. Должен я упомянуть и одну фирму.

Почти во всех аэропортах мира ручную кладь пассажиров досматривают с помощью сложных установок, просвечивая ее мягким рентгеновским излучением. В Северной Америке используются в основном установки, которые выпускает фирма American Science and Engineering (сокращенно AS&E — американская наука и техника). Эту фирму основал в 1958 г. Мартин Аннис. Фирма состояла главным образом из ученых и работала в первые годы над ядерными проблемами в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, одним из крупнейших технических учебных заведений в США. Именно фирме AS&E мы обязаны появлением первых рентгеновских спутников. Ключевое, по всей видимости, событие произошло в сентябре 1959 г., когда молодой итальянский стипендиат в США встретил своего знаменитого соотечественника.

Рикардо Джиаккони приехал по стипендии Фулбрайта в США в 1956 г. Он был физиком, специалистом в области космического излучения. В 1954 г. он защитился по этой теме в Милане и в США работал над аналогичными проблемами в Университете шт. Индиана в Блумингтоне, а затем в Принстоне. Под впечатлением от высокого уровня науки в США, от тех безграничных возможностей, которые открыло использование спутников для космических исследований, он решил остаться в США. Кто-то из коллег рассказал ему о фирме AS&E, и он встретился с Мартином Аннисом, в то время президентом этой исследовательской фирмы, насчитывавшей уже 27 сотрудников. В сентябре 1959 г. Джиаккони был принят в AS&E. Вскоре Аннис представил его Бруно Росси. Физик Росси работал в Массачусетском технологическом институте; он переехал в США еще до второй мировой войны, сотрудничал со знаменитым Энрико Ферми, который построил в Чикаго первый ядерный реактор, а в то время, в дополнение к своей работе в Институте, возглавлял группу консультантов в фирме AS&E. Джиаккони позднее писал о своей первой встрече со знаменитым Росси: «В коротком разговоре у него дома Бруно Росси подчеркнул, что наряду с другими космическими исследованиями он считает особенно многообещающим изучение рентгеновского космического излучения. Хотя об этом ничего не было известно, он полагал, что поиски в этой совершенно новой области могут оказаться успешными. Я тут же отправился на работу, чтобы выяснить, что уже сделано в этом направлении». Сделано было немного. Герберт Фридман изучал рентгеновское излучение Солнца; никаких других космических рентгеновских источников найдено не было.

Джиаккони начал размышлять над возможными конструкциями рентгеновских приемников и вместе с другими думал над тем, какие методы можно применить для измерения космического рентгеновского излучения. В 1960 году в NASA дали зеленый свет на постройку первого рентгеновского телескопа. Джиаккони уже имел тогда свою небольшую группу, которая работала в AS&E в области космических исследований. В 1961 году в группе было уже 70 сотрудников; в 1962 году на 19 ракетах и 7 спутниках была установлена экспериментальная аппаратура группы, причем среди приборов был и приемник рентгеновского излучения. В конце концов было обнаружено рентгеновское излучение, приходящее из космоса и не из окрестности Солнца, а из глубин Млечного Пути, а возможно, и из более далеких областей. В июле 1962 года был открыт первый точечный источник в созвездии Скорпиона: первая рентгеновская звезда! Джиаккони писал: «Руководствуясь нашими результатами, Фридман и ученые из Военно-морской исследовательской лаборатории смогли в апреле 1963 года подтвердить наше открытие. В сентябре 1963 года я предложил NASA план дальнейшей работы. Я изложил свою концепцию нового медленно вращающегося спутника для рентгеновских наблюдений и 1,2-метрового телескопа. Уже тогда утвердилось прямое направление моих исследований. В том, что все это оказалось столь захватывающим и интересным, заслуга Природы».

12 декабря 1970 года спутник, построенный группой Джиаккони, был запущен NASA с побережья Кении. Это был День независимости государства, ставшего суверенным в 1963 году, и спутник назвали «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». На рис. 10.1 изображен спутник «Ухуру» в космосе, как его представил себе художник из NASA. За время своего существования спутник обнаружил свыше ста точечных рентгеновских источников. Эти результаты принесли Риккардо Джиаккони всеобщее признание в научных кругах и поставили много загадок перед астрофизиками Востока и Запада. Мы еще далеки от того, чтобы понять объекты, открытые спутником «Ухуру». Однако в последние годы о них многое удалось узнать.

 

Рис. 10.1. Рентгеновский спутник «Ухуру» в космосе (рисунок). Четыре солнечные панели вырабатывают электричество для питания аппаратуры. Спутник совершает один оборот вокруг своей оси за десять минут, и рентгеновский приемник просматривает небо «полосами». Результаты передаются по каналам связи на Землю.

 

Первый вопрос, который интересует астрономов в связи со вновь открытыми объектами, это далеко или близко они находятся. В большинстве случаев определить расстояние до небесного тела чрезвычайно трудно, но нередко достаточно сделать хотя бы приблизительные оценки. Можно было бы узнать, например, принадлежат ли эти объекты к нашему Млечному Пути или нет. Мы уже видели, как это делается, на примере пульсаров. Для этого нужно выяснить, распределены ли эти объекты на небе таким же образом, как и звезды нашей Галактики. Результаты подобной проверки иллюстрирует рис. 10.2. Здесь объекты, обнаруженные спутником «Ухуру», нанесены на градусную сетку, горизонтальная ось которой соответствует плоскости симметрии Млечного Пути. С первого взгляда ясно, что большинство рентгеновских источников располагается вблизи Млечного Пути. Там, где много звезд, оказывается много и рентгеновских источников. Если же смотреть в сторону от Млечного Пути, то рентгеновских источников немного, и они оказываются прежде всего там, где находятся удаленные галактики.

 

Рис. 10.2. Распределение на небе рентгеновских источников, открытых спутником «Ухуру». Как и на рис. 8.4, координатная сетка выбрана так, что вся небесная сфера спроецирована на плоский овал. Млечный Путь тянется вдоль горизонтальной оси; центр Галактики находится в центре координатной сетки. Большая часть рентгеновских источников оказывается вблизи Млечного Пути; к центру их плотность увеличивается. Отмечены некоторые источники, упоминаемые в тексте.

 

В дальнейшем я ограничусь источниками, находящимися в нашей Галактике. Мы примерно знаем, как далеко они находятся от нас: в среднем на таком же расстоянии, как и большинство звезд Млечного Пути, т. е. порядка тысяч световых лет. По энергии доходящего до нас излучения можно оценить действительную мощность этих источников. Оказывается, они излучают в рентгеновском диапазоне примерно в тысячу раз сильнее, чем наше Солнце на всех длинах волн.