Беседы о рентгеновских лучах (второе издание) - Павел Власов

Сегодня при изучении вселенной особое и к тому же растущее значение приобретает именно рентгеновская и гамма-астрономия. Но последняя еще в младенческом возрасте. А первая — уже в юношеском, притом оказалась прямо-таки вундеркиндом. Очень важно, что она позволяет исследовать космические объекты в экстремальных, крайних условиях. Например, при температурах в десятки и сотни миллионов градусов, при сверхмощных взрывах и тому подобных процессах, какие на Земле воспроизвести невозможно или необычайно трудно.

Свою родословную рентгеновская астрономия ведет, по существу, с 1962 года. Именно тогда мир услышал о сенсационном открытии, которое упоминалось как «незапланированное». Аппаратурой, которую подняла американская ракета на 225-километровую высоту, не был зарегистрирован вопреки ожиданию ни единый квант жесткой радиации от Луны. Зато был обнаружен неизвестный дотоле островок невидимок в Галактике. По названию «икс-лучи», употребляющемуся доныне во многих странах, и по своему местоположению в одном из зодиакальных созвездий он получил обозначение «Скорпион Х-1».

Тогда же на карте галактики появился Телец Х-1, тоже зодиакальный. Этот источник оказался не столь компактным. Напротив, «размазанным» по Крабовидной туманности, где он находится. Вскоре добавились другие: и диффузные и точечные. К 1977 году, к 20-летию космонавтики и 15-летию рентгеновской астрономии, их насчитывалось уже примерно двести. Полагают, что дальнейшие поиски увеличат это число до тысячи, если не больше. И все же рентгеновские звезды представляют довольно большую редкость. И в нашей Галактике и в Туманности Андромеды на миллиард обычных звезд приходится только одна рентгеновская.

Какова природа рентгеновского излучения звезд? На этот вопрос сегодня трудно ответить однозначно.

Есть основание полагать, что как рентгеновское, так и оптическое (видимое) излучение рентгеновских звезд представляет непрерывный спектр теплового излучения газа, разогретого до десятков миллионов градусов.

Первая из открытых на небосводе, рентгеновская звезда Скорпион Х-1, долгое время оставалась самой яркой (десятки квантов на квадратный сантиметр в секунду). Вторым был Телец Х-1 (несколько квантов на квадратный сантиметр в секунду). И вдруг в 1975 году объявился новый чемпион. Рентгеновская светимость этого объекта, зарегистрированного в зодиакальном созвездии Единорога, за несколько дней возросла для земных наблюдателей в сотни раз, многократно превзойдя ту же величину у Скорпиона Х-1. И стала в десятки тысяч раз больше, чем у самых слабых из дотоле известных небесных источников (один квант на квадратный сантиметр за тысячу секунд). У типичных, «средних», объектов тот же показатель близок к одному кванту за 10 секунд на каждый квадратный сантиметр счетчика, вынесенного в околоземное пространство.

Понятно, почему стремятся увеличить рабочую поверхность детектора, точность его ориентации и время пребывания за плотными слоями атмосферы. Ясно, что геофизические ракеты не могут предоставить здесь таких возможностей, как спутники, особенно специализированные.

Один из них — американский «Ухуру», запущенный в 1970 году, действовал несколько лет- На борту были установлены два рентгеновских телескопа, с площадью датчиков 880 квадратных сантиметров каждый. Эти счетчики квантов, направленные в противоположные стороны, вращались вместе со спутником, прощупывая всю небесную сферу. К 1973 году благодаря «Ухуру» число известных икс-объектов возросло почти впятеро.

Так в 1970 году наметился новый этап их изучения. Продолжается переворот, который начался в послевоенный период в связи с бурным развитием техники, позволяющей принимать сигналы таинственных невидимых из космоса. Огромный объем принципиально новой информации, неузнаваемо изменившей наши представления о мироздании, позволили получить радиотелескопы — гигантские наземные чаши-антенны, прослушивающие небо в УКВ-диапазоне. А потом — заатмосферные счетчики квантов, поднимаемые на высотных аэростатах, геофизических ракетах, искусственных спутниках, космических кораблях, орбитальных станциях.

«Пожалуй, наиболее впечатляющими достижениями внеатмосферной астрономии были выдающиеся успехи рентгеновской астрономии», — считает член-корреспондент Академии наук СССР И. Шкловский. «Наиболее впечатляющими…» …Не сказалась ли тут естественная пристрастность астрофизика к милой его сердцу науке? Судите сами.

Если бы наши глаза каким-то волшебством обрели вдруг способность воспринимать рентгеновские лучи (и только их), то, очутившись за пределами атмосферы, скажем, на борту космического корабля, мы увидели бы поразительную картину. Большинство знакомых нам светил померкло или погасло вообще. Зато многие засияли бы ослепительнее Солнца. А некоторые мигали бы, притом по непонятной на первый взгляд причине (известно, что обычные звезды мерцают только для наземного наблюдателя: тот ведь смотрит на них через «дрожащую» воздушную кисею).

Внимательный наблюдатель заметил бы, что иные из них меняют свою яркость строго периодически, с точностью часового механизма. Например, Геркулес Х-1 — раз в 1,2378 секунды, Центавр Х-3 — раз в 4,84239 секунды… Откуда такая пунктуальность?

Можно подумать, будто нам сигнализируют таинственные «зеленые человечки», как полушутливо называют гипотетических представителей внеземных цивилизаций. Надо сказать, всполошились не только фантасты, когда были открыты пульсары — невидимые в обычный телескоп небесные «маяки», которые регулярно, нередко с удивительной правильностью через равные промежутки времени изменяют интенсивность своего излучения, радиоволнового или рентгеновского. Сердце екнуло даже у здравомыслящих ученых, подвергающих сомнению само существование инопланетного разума.

А что, если бы мы отправились к такому пульсару посмотреть вблизи, как действует естественный «хронометр»? «Если бы астронавт, скорее безрассудный, чем храбрый, отважился приблизиться к нейтронной звезде настолько, чтобы ее видимые размеры сравнялись с лунными на земных небесах, он был бы убит частицами высоких энергий, испепелен рентгеновскими лучами, разорван в клочья силами притяжения», — рисует воображаемую трагедию один из докладов, подготовленных Национальной академией наук США.

Спрашивается: при чем тут нейтронная звезда? Как полагают, именно она виновница смертоносного рентгеновского излучения, которое испускает Геркулес Х-1 или Центавр Х-3. Правда, действует она не в одиночку, а вдвоем с напарником, подобным нашему Солнцу, только в несколько раз более крупным. Будучи сравнительно с ним карлицей, но зато сверхплотной и весьма массивной, она непрестанно перетягивает на себя вещество своего компаньона — раскаленного газообразного шара. На нее беспрерывно переливается целая река плазмы, притом с колоссальной скоростью (100 тысяч километров в секунду). При столь стремительном падении огненной Ниагары выделяется огромное количество лучистой энергии. Преимущественно в рентгеновском диапазоне.

Что касается мигания, то его объясняют, конечно же, не вмешательством неких «зеленых человечков», включающих-выключающих космический сверхфонарь, а просто-напросто вращением нейтронной звезды вокруг своей оси. Очень быстрым: у Геркулеса Х-1 — с периодом в 1,24 секунды, у Центавра Х-3 — 4,84 секунды. При каждом таком пируэте в том же темпе поворачивается и поток рентгеновской радиации, ибо источник ее испускает не равномерно во все стороны, а направленно, узким коническим пучком. Точь-в-точь как земной маяк с вращающимся прожектором.

Надо сказать, на эти быстрые пульсации интенсивности наложены медленные, плавно изменяющие ее за 1,7 суток у Геркулеса Х-1 и за 2,1 дня у Центавра Х-3. (Поясняющая аналогия: если гитару дернуть за струну и начать потом покачивать за гриф, то наряду с обычными звуковыми колебаниями, имеющими высокую частоту, мы услышим и наложенные на них дополнительные вибрации.) Этот эффект вызван тем, что двойная система вращается около общей промежуточной точки — центра обеих масс, причем источник незримой радиации периодически заслоняется от нас видимым светилом, как Солнце Луной во время затмения.

Читатель уже обратил внимание: рентгеновская звезда кружится, словно волчок, необычайно быстро. Почему же она не разрывается на куски чудовищными центробежными силами? Именно потому, что она нейтронная, необычайно плотная и сравнительно небольшая (10–20 километров в поперечнике).

За этим понятием — гордость теоретической мысли XX века. Нейтронные звезды были открыты сперва в кабинете, «на кончике пера», причем физиком, не астрономом. А уж потом, треть столетия спустя, — в небо, притом астрономией невидимого.

Возможность их существования первым предвосхитил советский физик Л. Ландау, впоследствии академик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий. Свою идею он высказал сразу же после того, как был открыт нейтрон (1932 г.). Вслед за физикой, в 1934 году, сказала свое слово и астрономия: они могут возникать при вспышках сверхновых (о них речь впереди), — эту гипотезу выдвинули американские астрономы У. Бааде и Ф. Цвикки.