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.