/
Теги: галактика космос космонавтика журнал наука и жизнь
Год: 2007
Текст
НА ОБЛОЖКЕ: 1-я стр. — Обсерватория «Интеграл» впервые увидела нашу Галактику в рентге- новских и гамма-лучах. © ESA. (См. статью на стр. 2.)
• НАУКА. ДАЛЬНИЙ ПОИСК ГАЛАКТИКА, Семнадцатого октября 2002 года с космодрома «Байконур» ракета-носитель «Протон» вы- вела на околоземную орбиту международную космическую обсерваторию «Интеграл» с аппаратурой, позволяющей наблюдать Вселенную в жестких рентгеновских и гамма-излу- чениях. За четыре года работы обсерватория обнаружила множество космических объек- тов с неизвестными ранее свойствами, скрытых от наблюдения в видимом диапазоне. Обсерватория «Интеграл» на орбите. © ESA 2 Лаука н жизнь» Л*«» 3. 2007.
ОТКРЫТАЯ ДВАЖДЫ О. ЗАКУТНЯЯ (Институт космических исследований РАН). ОБСЕРВАТОРИЯ «ИНТЕГРАЛ» Может показаться удивительным, как мно- го интереснейших событий и явлений, происходящих во Вселенной, остаются от нас скрытыми. Человеческой глаз способен ви- деть электромагнитное излучение лишь очень узкого, оптического диапазона. А Все- ленная излучает в широком спектре, в диа- пазоне от радиоволн длиной порядка сотен метров до экстремальных рентгеновского и гамма-излучений с длиной волны до 10’17 метра. Чем меньше длина волны, тем боль- ше энергия фотонов — ее изменение по всему спектру составляет почти 20 поряд- ков величины. «Невидимое» излучение Вселенной ста- ло доступно для наблюдений совсем недав- но, около пятидесяти лет назад, с появле- нием мощных радиотелескопов и специа- лизированных космических рентгеновских и гамма-обсерваторий. Сейчас на околозем- ных орбитах находится несколько таких кос- мических аппаратов, в их числе — обсер- ватория «Интеграл». Ее название — аббре- виатура английского наименования INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Международная астрофизичес- кая лаборатория гамма-лучей). Основные те- лескопы обсерватории предназначены для наблюдения за космическими источниками жесткого рентгеновского и гамма-излуче- ния в диапазоне энергий от 15 килоэлект- ронвольт (кэВ) до 10 мегаэлектронвольт (МэВ). Обсерватория впервые позволила деталь- но исследовать ту Вселенную, которая ра- нее была скрыта от наблюдателей. Даже дважды скрыта: помимо того, что фотоны с такими энергиями недоступны человеческо- му глазу, в космосе есть источники излуче- ния, «спрятанные» за окружающей их плот- ной газопылевой оболочкой. Фотоны более низких энергий практически полностью по- глощаются в ее толще, поэтому телескопы, работающие в оптическом, ультрафиолето- вом и даже мягком рентгеновском диапазо- нах (до 10—20 кэВ), просто не могли видеть подобные объекты. Фотоны более высоких энергий беспрепятственно проходят сквозь Схема построения изображения телескопом IBIS (1) с кодирующей маской. На картин- ке изображена упрощенная схема его рабо- ты. Кодирующая маска (а) из непрозрачных для рентгеновского и гамма-излучения эле- ментов закрывает поле зрения телескопа (2). На детекторе (Ь) отпечатывается тень маски, созданная излучением гамма-ис- точников, расположенных в поле зрения те- лескопа (с). На рисунке (2) показано нало- жение теней от маски на детектор в слу- чае, когда источников два. © ISDC/M. Turler пыль и газ, открывая новые подробности жизни Вселенной. Увидеть «скрытую Вселенную» непрос- то. Энергия рентгеновских и гамма-фото- нов очень велика, и использовать класси- ческие телескопы-рефлекторы для их на- блюдения почти невозможно: чтобы гамма- фотоны отразились от поверхности зерка- ла, а не поглотились им, угол падения дол- жен быть чрезвычайно малым. Даже в мяг- ком рентгеновском диапазоне приходится «вытягивать» зеркало, превращая его фак- тически в трубу и тем самым уменьшая поле зрения телескопа. Для наблюдения высокоэнергичных фотонов используется другой метод — кодирующих, или теневых, масок (такие телескопы также называют телескопами с кодированной апертурой). Устроены они следующим образом: над позиционно-чувствительным детектором фотонов устанавливается непрозрачная (например, вольфрамовая) пластина с про- резанными в определенном порядке отвер- стиями. Это и есть маска. Когда на теле- скоп падает поток фотонов, маска отбра- сывает тень и на детекторе образуется сво- еобразный узор засвеченных и темных уча- стков. По этому узору можно восстановить изображение неба в соответствующем ди- апазоне энергий. Основные телескопы «Интеграла» имеют большие поля зрения — 30 на 30 градусов, (Наука и жизнь» Л<> 3, 2007. 3
что позволяет одновременно следить за дос- таточно обширным участком неба. Обсерва- тория обращается вокруг Земли по уникаль- ной орбите с периодом трое суток, с началь- ной высотой перигея около 9 тысяч и высо- той апогея 154 тысячи километров. Необыч- но высокий перигей потребовался для того, чтобы минимизировать пребывание аппара- та в зоне радиационных поясов Земли, где могут быть повреждены уникальные прибо- Справа внизу: схематичное изображение нашей Галактики — Млечного Пути с обо- значенными спиральными рукавами. В этих областях происходит интенсивное звездо- образование, в результате которого возни- кают «поглощенные» рентгеновские источ- ники. Белым цветом выделена одна из об- ластей, где обнаружена наибольшая концен- трация «поглощенных» рентгеновских ис- точников — массивных двойных с сильным поглощением (область касательной к спи- ральному рукаву в созвездии Наугольника). Слева вверху: изображение, полученное по данным обсерватории «Интеграл». Схематичное изображение «поглощенного» рентгеновского источника, компактный объект в котором — молодая нейтронная звезда с магнитным полем. Мощный звезд- ный ветер оптической звезды питает акк- рецию на нейтронную звезду с магнитным полем и одновременно создает оболочку, в которой поглощается мягкое рентгенов- ское излучение, исходящее с ее магнитных полюсов. ры обсерватории и где эффективные наблю- дения в любом случае невозможны. «Интегрирование» Вселенной началось в конце 2002 года, когда обсерватория была выведена на орбиту ракетой-носителем «Протон» с разгонным блоком ДМ. В об- мен за запуск российские ученые получи- ли приоритетные права на четверть наблю- дательного времени приборов обсервато- рии. Данные «Интеграла» не принадлежат какой-либо отдельной группе — любой рос- сийский исследователь может подать за- явку на наблюдение интересующего его объекта и, если она будет одобрена Меж- дународным программным комитетом, по- лучить данные для анализа и публикации результатов. Данные поступают на Землю непрерывно через две приемные антенны, находящиеся на территории США и Бель- гии. В России работа с информацией об- серватории происходит через Российский центр научных данных обсерватории «Ин- теграл», организованный в Институте кос- мических исследований Российской ака- демии наук. ЗВЕЗДЫ, ПРЯЧУЩИЕ САМИ СЕБЯ Источниками жесткого излучения в на- шей Галактике, как правило, служат рентгеновские двойные системы, состоя- щие из двух звезд — обычной оптической 4 Лаука н жизнь» Л*«» 3. 2007.
и релятивистской рентгеновской. После- дняя (нейтронная звезда или черная дыра) имеет очень малые размеры (порядка 10 километров) при массе, сравнимой с мас- сой Солнца или превышающей ее. Как следствие, она создает вокруг себя силь- нейшее гравитационное поле. Под его воз- действием вещество с оптической звезды перетекает на поверхность звезды-компа- ньона (этот процесс называется аккреци- ей), разогревается до десятков и сотен миллионов градусов и начинает активно из- лучать рентгеновские фотоны. За время су- ществования рентгеновской астрономии было обнаружено более сотни таких источ- ников. Наблюдения обсерватории «Интег- рал» привели к открытию множества но- вых источников, позволив почти удвоить этот список. Важно, что это увеличение было не просто количественным, но и ка- чественным — были обнаружены группы источников с неизвестными ранее свой- ствами. Одним из таких результатов стало откры- тие обсерваторией жестких рентгеновских источников, названных «сильнопоглощенны- ми». Первый такой источник, IGR J16318- 4848, был обнаружен вскоре после запуска «Интеграла», а в настоящее время подоб- ных источников известно уже более десят- ка. Они привлекли внимание тем, что яр- кость их излучения резко, примерно на три порядка, падала на энергиях ниже 20 кэВ. По форме спектра можно было заключить, что излучение в более мягком диапазоне поглощается газом или пылью, причем сте- Если газ разогреть до температуры, при которой он начинает излучать в рентге- новском диапазоне (приблизительно 100 миллионов градусов), энергия его частиц окажется достаточной, чтобы они поки- нули Галактику, преодолев ее гравитаци- онное притяжение. Карта излучения «хребта» Галактики, по- лученная обсерваторией «Интеграл». Кон- турами показано распределение поверхнос- тной яркости Галактики в ближнем инф- ракрасном диапазоне, который хорошо со- ответствует распределению звезд. пень поглощения очень высока. Дальнейшие исследования обнаруженных источников позволили предположить, что наблюдаются системы, состоящие из нейтронной и опти- ческой звезды (гиганта или сверхгиганта) с мощным звездным ветром — истекающим с поверхности звезды газом. Этот газ «окуты- вает» двойную систему и питает нейтрон- ную звезду, однако он же не пропускает фотоны низких энергий, возникающие при аккреции. Массивные звезды, входящие в состав та- ких систем, сравнительно молоды, они обра- зовались не более 10 миллионов лет назад. А значит, и сами системы, называемые массив- ными рентгеновскими двойными, не могут быть старше. В нашей Галактике молодые Лаука и жизнь» Л<» 3, 2007. 5
Карта всего неба в диапазоне энергий 20— 50 кэВ, полученная обсерваторией «Интег- рал». Центр Галактики соответствует се- редине карты. Яркие точки — самые мощ- ные источники рентгеновского излучения в Галактике. Черные пятна неправильной формы — области неба, еще не наблюдав- шиеся обсерваторией. Совокупность ярких источников, образующих полосу вдоль плос- кости Галактики, — Млечный Путь в жестких рентгеновских лучах. массивные звезды наблюдаются в основном в спиральных рукавах, где до сих пор про- должается процесс звездообразования. Ис- следования обсерватории «Интеграл» под- твердили, что массивные рентгеновские двой- Распределение яркости жесткого рентгенов- ского излучения галактического риджа (об- ласть, заштрихованная красным) и нало- женное на график распределение яркости Га- лактики в ближнем инфракрасном диапа- зоне (голубая линия). Внесистемная едини- ца потока энергии «Краб», принятая в ас- трофизике, названа «в честь» Крабовидной туманности, излучающей стабильный по- ток рентгеновских фотонов. ные также сосредоточены преимущественно в областях неба, соответствующих спираль- ным рукавам Галактики. Другая интересная группа источников, выявленная обсерваторией «Интеграл», — так называемые быстрые рентгеновские транзиенты. Это источники рентгеновско- го излучения, вспыхивающие на небе лишь на очень короткое время — на несколько часов. Иногда такие вспышки происходят регулярно, иногда — всего лишь один раз за всю историю наблюдений. Оптические компоненты в системах, соответствующих этим транзиентам, были идентифицирова- ны со сверхгигантами раннего спектраль- ного класса (ОВ). До этого открытия обсер- ватории «Интеграл» в Галактике было из- вестно всего несколько источников, вхо- дящих в двойную систему с ОВ-сверхги- гантом, и все эти источники излучали в рентгеновских лучах более или менее по- стоянно. В их число входят известнейший источник Лебедь Х-1, в котором, как пред- полагают, скрывается черная дыра, а так- же рентгеновские пульсары Паруса Х-1 и Центавр Х-3. Столь малое число рентгенов- ских источников этого типа вызывало удив- ление, так как, согласно расчетам эволю- ции звезд, систем, содер- жащих ОВ-сверхгигант и релятивистскую звезду, в Галактике должно быть в сотни тысяч раз больше. Наблюдения «Интегра- ла» показали, что подоб- ные системы обычно име- ют плотность потока ниже уровня чувстви- тельности современных широкоугольных теле- скопов, становясь ярки- ми рентгеновскими ис- точниками на очень ко- роткое время. Если это действительно так, число известных рентгеновских «Наука н жизнь» Л*«» 3. 2007.
Звездные датчики Спектрометр (SPI> СЛУЖЕБНЫЙ МОДУЛЬ Январе|урм ибрабо денных и связи ___ Амианикп системы — ориентации Ьагарей Топливные баки ЭВМ и алейрон**а обеспеченин работы приборол Панель детекторов IBIS* иодирующая маска JEM-X - кодирующая маска Оптическим монитор (ОНО ЭВМ и электронике! обеспечения работы। приборов Детектор »*лескопа IBP 1 _ Детектор ( см f»C|.цпг1 С помощью IBIS можно также исследовать спектры косми- ческих источников с умерен- ным энергетическим разреше- нием. Для работы на энергиях ниже 200 кэВ в телескопе ис- пользуется уникальный детек- тор, состоящий из 16 384 полу- проводниковых элементов из кадмий-теллурита. Кроме IBIS на борту находятся: гамма- спектрометр SPI, состоящий из 19 криогенных германиевых детекторов, — для сверхтон- кой спектроскопии космичес- ких ядерных гамма-линий и ли- нии аннигиляции электрон-по- зитронных пар; монитор рент- геновских лучей JEM-X — для работы в стандартном диапа- зоне от 3 до 35 кэВ и оптичес- кий монитор ОМС. © ESA СПРАВКА Комплекс научной аппарату- ры обсерватории «Интеграл» включает четыре прибора. Прежде всего, это гамма-теле- скоп IBIS, предназначенный для получения изображений неба с высоким (12 минут дуги) угло- вым разрешением в диапазо- не энергий от 15 кэВ до 10 МэВ. источников этого типа может со временем сильно увеличиться. Сложность в наблюдении быстрых тран- зиентов состоит в том, что их вспышки сложно «поймать», так как невозможно предсказать, когда и где они произойдут. Пока не существует и модели, которая бы объясняла механизм такой вспышки. Не- понятным представляется временной мас- штаб: если предположить, что вещество звездного ветра захватывается на опреде- ленном расстоянии от компактного объек- та его гравитацией, а дальше происходит сферически-симметричная аккреция (то есть вещество падает на компактный объект равномерно со всех сторон), вспышка дол- жна продолжаться не более часа. Возмож- но, здесь действует другой механизм: па- дающее вещество обладает слишком боль- шим угловым моментом и сферически-сим- метричная аккреция оказывается невоз- можной. Тогда вблизи компактного объек- та формируется диск из вещества звезд- ного ветра, где в течение достаточно дол- гого времени (около года) копится веще- ство. Затем оно быстро аккрецирует, что и сопровождается рентгеновской вспышкой. Будущие наблюдения, не только «Интегра- ла», но и других обсерваторий, позволят прояснить механизм, который приводит к появлению на рентгеновском небе быст- рых транзиентов. РЕНТГЕНОВСКИЙ ХРЕБЕТ ГАЛАКТИКИ Яркие рентгеновские двойные, о кото- рых мы говорили выше, обеспечивают около 95 процентов потока излучения Га- лактики в этом диапазоне, хотя их в целом не так уж много — не более нескольких Лаука и жизнь» Л<» 3, 2007. 7
сотен. Кроме них в Галактике наблюдается гораздо более слабое фоновое рентгеновское излучение. Если посмотреть в рентгеновских лучах на Млечный Путь со стороны Зем- ли, мы увидим узкую сплошную полосу этого излучения, протянувшуюся от одно- го края галактического диска к другому с характерным утолщением вблизи центра Галактики и заметным возрастанием ярко- сти. Наблюдаемая структура называется га- лактическим риджем, от английского — ridge (хребет). Природа этого излучения оставалась не- известной более 30 лет — с того момента, как оно было открыто. Высказывались гипо- тезы, согласно которым источником фоно- вого излучения мог быть горячий газ, доста- точно сильно распределенный по галакти- ческому диску. Но, если газ разогреть до температуры (приблизительно 100 милли- онов градусов), при которой он начинает из- лучать в рентгеновском диапазоне, энергия частиц газа окажется достаточной для того, чтобы они покинули Галактику, преодолев ее гравитационное притяжение. Не ясен и источник такого газа — он мог бы быть выб- рошен или разогрет ударными волнами при взрывах сверхновых звезд, но тогда такие взрывы должны происходить намного чаще, чем наблюдается сейчас и следует из тео- рии эволюции звезд. Другая, более правдоподобная гипотеза связывает наблюдаемое фоновое излучение с процессами взаимодействия космических лучей в Галактике с межзвездным газом и светом (оптическими фотонами) обычных звезд. К сожалению, плотность галактичес- ких космических лучей тех энергий, кото- рые необходимы для формирования жест- кого диффузного рентгеновского излучения, известна плохо, так что надежных расчетов здесь пока провести не удается. Как альтернатива этим гипотезам было высказано предположение о том, что галак- тический рентгеновский фон является ре- зультатом совокупного излучения большого числа слабых неразрешенных объектов. Су- ществующие телескопы пока не обладают чувствительностью, необходимой для того, чтобы различить подобные объекты. Поэто- му для проверки этой гипотезы пришлось идти другим путем — анализировать осо- бенности спектра и распределения интен- сивности рентгеновского излучения риджа по данным наблюдений обсерватории «Ин- теграл» (а именно — телескопа IBIS). За че- тыре года работы, благодаря широкому полю зрения телескопа, удалось собрать большое количество фотонов от рентгеновского фона Галактики, отделив слабое излучение галак- тического риджа от излучения ярких точеч- ных источников. По данным телескопа IBIS были постро- ены карта распределения жесткого рент- геновского излучения и его спектр. Оказа- лось, что распределение яркости фоново- го излучения Галактики в рентгеновских лучах не соответствует распределению яркости в гамма-диапазоне. Гамма-излуче- ние Галактики возникает в результате вза- имодействия космических лучей с межзвез- дной средой. Следовательно, можно прак- тически исключить гипотезу о диффузной природе фонового рентгеновского излуче- ния Галактики. С другой стороны, рентгеновское изобра- жение очень хорошо совпало с распределе- нием плотности звездной массы, установлен- ной по инфракрасному излучению Галакти- ки. Последнее создается обыкновенными звездами вроде Солнца, которых в Галакти- ке порядка 100 миллиардов. Естественно предположить, что основным источником фонового рентгеновского излучения также должны быть слабые компактные источники — звезды. Полученный из наблюдений ко- эффициент, связывающий светимость звез- дного населения Галактики в жестком рент- геновском диапазоне (17—60 кэВ) с его мас- сой, совпал с подобным коэффициентом для звездного населения в окрестностях Солн- ца. А рядом с Солнечной системой основ- ными источниками жесткого рентгеновско- го излучения являются аккрецирующие бе- лые карлики. Белые карлики — это остатки погибших звезд. По сравнению с обычными звездами они очень малы — имеют размер в 100 раз меньший, чем Солнце, при массе, сравни- мой с массой Солнца. Благодаря сильному гравитационному полю белый карлик, вхо- дящий в тесную двойную систему (называ- емую катаклизмической переменной), мало- помалу «обдирает» вещество со звезды-ком- паньона. Падающее вещество разогревает- ся до высоких температур и порождает рен- тгеновское излучение. Этот механизм по- хож на описанный выше механизм излуче- ния рентгеновских двойных, отличаясь глав- ным образом уровнем светимости (меньше на несколько порядков) и характеристика- ми спектра формирующегося рентгено- вского излучения. Максимальная температура, которой спо- собна достичь плазма, падающая на повер- хность белого карлика, хотя и зависит от его массы и радиуса, в целом не превышает при- мерно 100 миллионов градусов. Соответ- ственно не может быть много большей и энергия фотонов, излучаемых такой плазмой. Поэтому если рентгеновский фон Галакти- ки рождается белыми карликами, то его спектр должен обрываться на энергиях при- мерно 20 кэВ. И телескоп IBIS действитель- но обнаружил резкое ослабление фонового излучения на высоких энергиях (выше 60 кэВ). По результатам, полученным обсерватори- ей, можно оценить и число белых карликов в Галактике — несколько миллионов. Имен- но такое количество очень слабых источни- ков необходимо для того, чтобы получить наблюдаемую интенсивность излучения хребта Галактики. Дальнейшие наблюдения, возможно, позволят увидеть и отдельные источники, однако для современных телеско- пов эта задача находится на пределе их воз- можностей. 8 Лаука н жизнь» Л*«» 3. 2007.