АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ СЮРПРИЗЫ
В. Птускин
Богатый арсенал технических средств исследования Вселенной, широкий размах этих исследований непрерывно обогащают науку конкретными данными о процессах, которые происходят за многие миллиарды километров от Земли. А эти данные, в свою очередь, дают астрофизикам возможность уточнять картину мира, углублять и корректировать свои представления о том, как устроена Вселенная. Особенно много интересной информации принесли астрофизические наблюдения последние годы.
ИСТОЧНИК НЕИЗВЕСТЕН
За последние десятилетия в наблюдательной астрономии произошли коренные изменения из чисто оптической она стала поистине всеволновой. С помощью десятков и сотен инструментов, как наземных, так и установленных на высотных баллонах, ракетах или искусственных спутниках Земли, ведутся непрерывные наблюдения за Вселенной на самых различных участках огромного спектра электромагнитных излучений - на радиоволнах, в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах.
В некоторых из новых участков спектра астрономы «видят» уже лучше, чем в оптическом диапазоне. Так, например, на радиоволнах в настоящее время могут быть зарегистрированы меньшие потоки энергии и можно различить гораздо более мелкие детали, чем при наблюдениях в световом диапазоне. Расширение диапазона наблюдений и совершенствование наблюдательной техники привели к открытию в последние годы ряда принципиально новых астрономических объектов, таких, как квазары, пульсары, быстропеременные рентгеновские источники и другие объекты, большая часть мощности излучения которых лежит, как правило, вне традиционной оптической области спектра.
Не успели астрофизики хотя бы в общих чертах понять природу этих объектов, как получили от Вселенной новую загадку.
Несколько лет назад группа американских ученых, работающих в Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории, решила провести поиск всплесков гамма-излучения с помощью системы спутников «Вела». Четыре спутника этой системы вращаются вокруг Земли по круговым орбитам с радиусом в 120 тысяч километров. Эти спутники были запущены для наблюдения за взрывами ядерных бомб в космическом пространстве. Решение о создании системы «Вела» было принято до подписания Договора о запрещении ядерных испытаний в 1963 году, а начала работать она уже после его подписания. Так, что «Вела» ни разу не использовалась по прямому назначению. На каждом из четырех спутников системы установлены детекторы гамма-излучения, чувствительные к фотонам с энергией от 0,2 до 1,5 Мэв. Поскольку на каждом спутнике установлено по шесть детекторов, то всплески гамма-излучения могут быть приняты с любого направления на небесной сфере.
После обработки результатов трехлетних наблюдений (с июля 1969 года по июль 1972 года) исследователи обнаружили 16 всплесков гамма-излучения. Причем всплесков весьма сильных - во время всплеска поток энергии гамма-излучения, то есть энергия, проходящая через единицу поверхности в единицу времени, увеличивался примерно в тысячи раз по сравнению с постоянным (фоновым) излучением. Учитывались только такие всплески, которые регистрировались одновременно двумя или более детекторами, помещенными на разных спутниках.
При детальном изучении структуры гамма-всплесков оказалось, что они представляют собой не просто монотонное возрастание и затем убывание потока гамма-излучения, а состоят, как правило, из нескольких отдельных всплесков, следующих друг за другом.
Анализ наблюдательных данных также показал, что направление, откуда приходили гамма-кванты, не совпадало с направлением на Солнце или на Землю.
Во время каждого всплеска аппаратура всех спутников отмечала одинаковый по мощности поток излучения. А из этого следовало, что источники гамма-излучения расположены на очень большом расстоянии от детекторов, не менее нескольких миллионов километров. Вся совокупность наблюдательных данных доказывает, что гамма-всплески не связаны с процессами в Солнечной системе.
Наблюдения только лишь в гамма-диапазоне не позволяют ответить на вопрос о расстоянии до излучающего объекта и не дают представления о масштабах происходящих на нем событий. В частности, не зная расстояния, нельзя судить о полной энергии, которая выделяется источником при вспышке. Если принять, что расстояние до вспыхивающего объекта составляет хотя бы 10 световых лет (это - расстояние до ближайших звезд), то при вспышке, которая наблюдалась 14 мая 1972 года, должна была бы выделиться энергия 1036 эрг. Эта величина превышает энергию, выделяющуюся при самых мощных солнечных вспышках, более чем в тысячу раз.
Если же предположить, что расстояние до вспыхивающего объекта сравнимо с размерами нашей Галактики (протяженность Галактики, как известно, около сотни тысяч световых лет), то энергия, выделяемая при гамма-вспышке, должна быть порядка 10^42
эрг. Из известных галактических явлений только лишь взрыв Сверхновой может сопровождаться таким огромным выделением энергии в гамма-диапазоне. Однако за время наблюдения гамма-всплесков на тех направлениях, откуда они приходили, в нашей Галактике не были зарегистрированы взрывы Сверхновых. Остается предположить, что наблюдаемые гамма-всплески могли бы быть связаны со взрывами Сверхновых, находящихся в других галактиках.
Любопытно, что теоретиками в свое время предсказывалась возможность регистрации мощных всплесков гамма-излучения, которыми сопровождается образование Сверхновых. И именно эти прогнозы стимулировали поиск гамма-всплесков с. помощью системы спутников «Вела». Однако то, что было обнаружено, сильно отличается от теоретических прогнозов. В частности, предсказывалась сравнительно небольшая длительность всплесков - порядка 10-5 секунды, а наблюдались всплески с несравненно большей длительностью - более десятых долей секунды. В некоторых случаях длительность импульсов гамма-излучения достигала даже 80 секунд, а это уже в 10 миллионов раз больше теоретического прогноза.
Пока еще довольно далеко до ясности в отношении того, какие процессы могут вызывать подобное излучение в гамма-диапазоне. Астрофизики вот уже который раз за последние годы получили от природы трудную задачу.
Кандидат физико-математических наук В. УСОВ, научный сотрудник Института космических исследований АН СССР.
АНТИМИРЫ?
Современная гамма-астрономия связана с одной из самых экзотических проблем астрофизики - с поисками антивещества во Вселенной. Хотя в микроскопических количествах антивещество давно уже найдено, однако пока нет серьезных оснований для того, чтобы считать возможным существование в космосе антимиров - больших районов, заполненных антивеществом.
И все же.
Первая античастица - позитрон - была открыта в составе космических лучей еще в 1932 году. Позитрон можно было бы называть антиэлектроном, так, как от электрона он отличается только знаком заряда. Сейчас известны сотни различных античастиц, самая тяжелая из них - ядро антигелия - получена в опытах на Серпуховском ускорителе.
Взаимодействие частицы и соответствую щей ей античастицы приводит к аннигиляции обе они исчезают, превращаясь в излучение, в фотоны. Энергия, а значит и частота излучения, зависит от масс частиц, но всегда попадает в гамма-диапазон. Так, например, если при аннигиляции покоящихся электрона и позитрона возникают два фотона, то энергия каждого из них равна Е = ш - с2 = 511 кэв, то есть энергии покоя электрона или позитрона (ш - масса электрона или позитрона, с - скорость света). Энергия 511 кэв уже лежит в гамма-диапазоне, так, как условная граница между рентгеновскими и гамма-лучами лежит где-то в районе частот 2 - 101Э герц, то есть в районе энергии 100 кэв. Для частиц, более тяжелых, чем электрон, характерная энергия излучения еще больше.
В принципе присутствие позитронов в удаленных астрономических объектах можно установить по появлению гамма-линий в спектрах излучения этих объектов. Попытки обнаружить гамма-излучение с энергией 511 кэв предпринимались уже довольно давно. С этой целью использовалась аппаратура, установленная на спутниках или высотных баллонах, поскольку гамма-кванты поглощаются в атмосфере и до поверхности Земли не доходят. В августе 1973 года американские исследователи В. Джонсон и Р. Хэймс сообщили о результатах обработки данных, полученных в 1970 - 1971 годах с помощью приборов, установленных на высотных баллонах. Было обнаружено гамма-излучение с энергией 476+ 24 кэв, что заметно отличается от величины 511 кэв, которая могла бы служить верным признаком аннигиляции. Казалось бы, зарегистрированная энергия указывает на другой механизм излучения. Например, можно предположить, что гамма-кванты возникают при переходах атомных ядер из возбужденных состояний в основные, не возбужденные.
И все же обнаруженное излучение рассматривалось в ряде теоретических работ, как результат аннигиляции вещества с антивеществом, электронов с позитронами. А то, что энергия излучения отличается от величины 511 кэв, твердо установленной для земных реакций аннигиляции, пытались объяснить последующим уменьшением энергии гамма-квантов, которое может происходить по разным причинам.
Одна из возможных причин - гравитационное красное смещение. Этот эффект особенно заметен при испускании фотонов с поверхности очень компактных и массивных звезд. Допустим, что аннигиляция вещества с антивеществом происходит около нейтронной звезды с радиусом в десять километров и массой порядка массы Солнца. В этом случае гамма-кванты, двигаясь от звезды, могут терять до 20% своей энергии на преодоление силы гравитационного притяжения. С уменьшением энергии квантов излучения его частота также уменьшается, сдвигаясь к длинноволновой («красной») области спектра. Поэтому описанное явление и называют гравитационным красным смещением.
Другая возможная и даже, пожалуй, вероятная причина смещения линии связана с собственными моментами вращения (спинами) электрона и позитрона. Спины этих частиц одинаковы и равны одной второй. В реальных астрофизических условиях электрон и позитрон перед аннигиляцией образуют связанную систему - позитроний. Позитроний подобен обычному атому водорода, но роль тяжелого ядра (протона) в нем играет позитрон. В зависимости от взаимной ориентации спинов частиц в позитронии вся система перед аннигиляцией может иметь спин, равный нулю (парапозитроний; в нем спины электрона и позитрона направлены в разные стороны) или единице (ортопозитроний; спины электрона и позитрона по направлению совпадают). При аннигиляции парапозитрония возникают два фотона с энергиями 511 кэв каждый. При аннигиляции же ортопозитрония рождаются три порции излучения, три фотона. Причем полная энергия излучения может распределяться между ними по-разному и каждый из трех фотонов может иметь любую энергию от нуля до значения 511 кэв. А значит, спектр излучения ортопозитрония состоит не из одной узкой линии, как это было для парапозитрония, а имеет широкий разброс. Поэтому в каждом случае, когда аннигилирующих частиц достаточно много и вероятность появления ортопозитрония достаточно велика, к узкой линии парапозитрония обязательно примешиваются фотоны меньших энергий от ортопозитрония и наблюдаемая гамма-линия смещается в сторону меньших энергий.
Итог таков самым вероятным процессом, который может объяснить зарегистрированное гамма-излучение, все же остается аннигиляция позитронов, взаимодействие их с обычным веществом. А значит, где-то во Вселенной есть заметное количество антивещества.
Пока не установлено, от, каких астрономических объектов приходит регистрируемое гамма-излучение. Возможно, оно генерируется в ядре Галактики или в ее газовом диске, где сосредоточена основная масса звезд. Поток гамма-квантов оказался очень мощным и если источник излучения находится в центре Галактики, то его мощность должна быть примерно 1037 эрг/сек. Это почти в десять тысяч раз больше полной мощности излучения Солнца.
За счет, каких процессов может образоваться так много позитронов? Теоретиками обсуждаются две основные возможности. Во-первых, позитроны возникают при взаимодействии частиц, входящих в состав космических лучей, с межзвездным газом. Во-вторых, позитроны появляются за счет ядерных реакций во время мощных взрывов звезд. Расчет показывает, что космические лучи, по-видимому, не могут обеспечить наблюдаемый поток гамма-излучения. Вторая возможность кажется более правдоподобной. Американский физик Д. Клайтон оценил количество позитронов, возникающих при взрывах сверхновых звезд и пришел к выводу, что их может быть достаточно для объяснения наблюдаемого гамма-излучения. Основным поставщиком позитронов в этой теоретической схеме является радиоактивный кобальт. Ядра кобальта возникают в результате взрывных процессов и, распадаясь в среднем за 77 дней, дают позитроны, нейтрино и ядра железа.
Если эта модель подтвердится дальнейшими экспериментами и расчетами, то гамма-астрономия окажется средством проверки теорий взрыва сверхновых звезд. Это очень важно для астрофизики в целом. Ведь, по современным представлениям, при взрывах сверхновых звезд синтезируются все тяжелые элементы, которые наблюдаются в природе.
Читайте в любое время
