Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Современные приборы еще не позволяют получить прямой ответ на этот вопрос. Поэтому приходится прибегнуть к логическим соображениям. Предположим, что источник гамма-всплеска 5 марта находится в Большом Магеллановом Облаке. Исходя из мощности зарегистрированного сигнала и зная расстояние до Большого Магелланова Облака, нетрудно подсчитать, что в подобном случае этот источник во время вспышки должен был излучать 1044 эрг/с (1037 Вт) — чудовищную энергию, в несколько тысяч раз превосходящую энергию излучения Большого Магелланова Облака во всех диапазонах электромагнитных волн, вместе взятых! А ведь эта галактика состоит из миллиардов звезд. Очевидно, что подобное предположение выглядит весьма фантастично. Таким образом, скорее всего, счастливым обладателем этого феномена является наша собственная Галактика.

Итак, накапливается все больше данных, говорящих о том, что механизм аккреции в двойных системах является весьма универсальным, порождающим многие явления, наблюдаемые во Вселенной. Причем такие явления, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии и, следовательно, оказывают особое воздействие на состояние космической среды.

Действие этого механизма может в разных конкретных условиях вызывать различные следствия. Этим, видимо, объясняется и различный характер возникающего электромагнитного излучения: в одних случаях правильно-переменное рентгеновское излучение (рентгеновские пульсары), в других — кратковременные вспышки в рентгеновском диапазоне, в третьих — мощные всплески гамма-излучения. При этом различие в физических условиях, влияющих на картину явления, должно быть очень заметным. Это видно хотя бы из того, что рентгеновские пульсары излучают на протяжении миллионов лет, а при гамма-вспышках вся энергия выплескивается почти мгновенно.

Для объяснения явлений, о которых идет речь, было предложено немало других гипотез, не связанных с двойными системами, Оригинальную попытку объяснить природу гамма-вспышек предприняла группа советских ученых из Института прикладной математики АН СССР и Института космических исследований АН СССР.

По современным представлениям, нейтронная звезда в момент образования имеет очень высокую температуру — порядка 1011 кельвинов. Затем в результате бурного выброса нейтрино происходит довольно быстрое остывание звезды — буквально за несколько дней температура ее поверхности снижается до 1010, а за десяток лет — до 109 кельвинов. Потом этот процесс протекает несколько медленнее. Когда температура снизится до 108-109 кельвинов, поверхностные слои нейтронной звезды становятся твердыми, возникает своеобразная кристаллическая корка. Иногда она может растрескиваться.

Таковы существующие представления. А гипотеза, о которой идет речь, состоит в следующем. Время от времени в подкорковом слое накапливается потенциально радиоактивное вещество. «Потенциально радиоактивное» — потому что, по предположению авторов гипотезы, в недрах нейтронной звезды в силу некоторых причин радиоактивный распад не идет. Однако при землетрясениях такое вещество по трещинам может выплескиваться на поверхность. Оказавшись снаружи, оно бурно распадается, этот распад сопровождается мощным гамма-излучением, которое и регистрируется на Земле как гамма-вспышка.

И все же объяснение, связанное с аккрецией вещества в двойных системах, выглядит более убедительно. Особенно после результата, полученного межпланетными станциями «Венера». А также потому, что с помощью механизма аккреции удается с единой точки зрения объяснить целый комплекс хотя и внешне разнородных явлений, но вызывающих сходные следствия — рентгеновское и гамма-излучение.

Разумеется, еще предстоит ответить на ряд фундаментальных вопросов. Какой физический процесс способен вызвать усиление рентгеновской светимости источника в десятки тысяч раз за тысячные доли секунды? Связаны ли гамма-вспышки с изменением скорости аккреции? Если да, то почему эта скорость может изменяться?

И так далее…

Разумеется, отдельные космические объекты, расположенные на огромных расстояниях от Земли, практически не оказывают на земные условия никакого влияния. Но Вселенная — это совокупность колоссального множества различных объектов, в том числе и проявляющих разные степени активности. Их совокупная «деятельность» во многом определяет физическое состояние космической среды нашего обитания. Поэтому изучение подобных объектов представляет для нас особый интерес.

Загадочный фон

Наблюдая Вселенную в световых лучах, мы видим звезды, галактики, скопления галактик. Оптические объекты нашей Вселенной сгруппированы в определенные структурные образования. Аналогичную картину мы обнаруживаем в инфракрасном, ультрафиолетовом и радиодиапазонах электромагнитных волн. Исключение составляет уже знакомое нам реликтовое излучение, обладающее изотропным характером.

Однако существует и еще одно исключение подобного же рода — фоновое рентгеновское излучение. Это излучение, обнаруженное в 60-е годы, подобно реликтовому, также равномерно заполняет все небо.

Невольно напрашивается предположение о какой-либо связи, существующей между этими двумя изотропными «свечениями» Вселенной. Однако подобное предположение приходится сразу отвергнуть — ведь ультракоротковолновое радиоизлучение и рентгеновское излучение порождаются в природе совершенно различными физическими процессами.

Происхождение реликтового излучения к настоящему времени изучено достаточно хорошо. Что же касается рентгеновского фона, то его природа до сих пор остается загадкой.

Проще всего было бы предположить, что диффузный рентгеновский фон обязан своим происхождением тормозному излучению электронов в разреженной высокотемпературной плазме, заполняющей межгалактическое пространство. Однако непосредственные доказательства того, что такая плазма существует, в распоряжении современной астрономии отсутствуют.

Кстати, если бы подобный механизм в самом деле действовал, то это привело бы нас к фундаментальным выводам относительно дальнейшей эволюции нашей Вселенной. Предварительные подсчеты показывают, что межгалактическая плазма, порождающая фактически наблюдаемое рентгеновское фоновое излучение, должна была бы обладать плотностью, близкой к «критической», т. е. к тому значению средней плотности материи во Вселенной, которое согласно общей теории относительности необходимо для того, чтобы остановить разбегание галактик.

Если источник того или иного излучения нам неизвестен, и мы вынуждены судить о его природе косвенным путем, то прежде всего необходимо обратить внимание на свойства этого излучения. В пределах точности, доступной лучшим современным приемникам рентгеновского излучения, никаких колебаний интенсивности рентгеновского фона обнаружить не удалось. О чем говорит подобная изотропия излучения? О том, что его источник либо расположен в непосредственной близости от нас, и мы находимся «внутри» его излучения, либо на очень и очень большом удалении. Поскольку наличие мощного рентгеновского источника в окрестностях Солнечной системы заведомо исключается, то остается только вторая возможность.

Но вспомним: чем с больших космических расстояний приходит к нам то или иное излучение, тем более отдаленные в прошлое явления оно отражает. Поэтому есть веские основания предполагать, что возникновение рентгеновского фона (подобно возникновению реликтового излучения) связано с какими-то космологическими процессами, обусловившими формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

В частности, существует гипотеза, согласно которой диффузное рентгеновское излучение порождается большим числом достаточно мощных дискретных рентгеновских источников, более или менее равномерно распределенных на небесной сфере и расположенных на очень больших расстояниях от Земли.

Но тогда возникает новый вопрос: что могут представлять собой эти источники, какова их природа? Галактики здесь не годятся. Они состоят из звезд, а изучение Солнца показало, что обычные, нормальные звезды являются весьма слабыми источниками рентгеновского излучения. Поэтому даже сотни миллиардов звезд, входящих в галактики, не могли бы обеспечить наблюдаемой интенсивности рентгеновского фона. Правда, в последние годы было установлено, что богатые скопления галактик являются источниками рентгеновского излучения, которое порождается механизмом тормозного излучения в горячей плазме, заполняющей объем таких скоплений. Однако, если учесть концентрацию скоплений галактик во Вселенной, то и этот источник оказывается явно недостаточным… Значит — не галактики.

Больше всего на роль дискретных рентгеновских источников, необходимых для генерирования диффузного рентгеновского фона, подходят квазары. Как показывают наблюдения, большинство квазаров являются мощными генераторами рентгеновского излучения. Достаточно сказать, что один квазар излучает в рентгеновском диапазоне в 1000 раз больше энергии, чем ее излучают в оптическом диапазоне все звезды нашей Галактики.