Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

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.

Квазары — весьма удаленные объекты. Некоторые из них расположены на расстояниях, намного превосходящих расстояния до самых далеких галактик. Поэтому, вероятно, большинство квазаров недоступно наблюдению современными средствами. Однако статистические подсчеты, основанные на распределении в пространстве известных нам квазаров, говорят о том, что значительная доля рентгеновского фона (а возможно, и весь этот фон) генерируется именно далекими квазарами, которые мы по отдельности наблюдать пока не можем.

В нейтринном «свете»

В этой главе мы познакомились с некоторыми результатами изучения Вселенной в различных диапазонах электромагнитных волн и могли убедиться в том, что освоение каждого нового канала космической информации вело к новым интереснейшим открытиям.

На фоне этих открытий достижения нейтринной астрофизики выглядят, быть может, намного скромнее. В сущности говоря, пока что получен только один реальный результат: поток солнечных нейтрино, которые должны рождаться в недрах нашего дневного светила в ходе термоядерных реакций, оказался значительно менее интенсивным, чем следует из теоретических соображений.

Результат, что и говорить, весьма интригующий и все еще ожидающий своего объяснения. В чем тут дело — в несовершенстве ли наших представлений о внутреннем строении Солнца или в том, что не учитываются некоторые свойства самих нейтрино, в частности, возможность того, что эти частицы обладают массой покоя, пока неясно.

Но изучение Солнца отнюдь не исчерпывает заманчивых возможностей нейтринной астрономии. Вообще, нормальные звезды являются источниками нейтрино низких энергий, и если учесть огромные расстояния до этих небесных тел, то регистрация потоков нейтрино от отдельных звезд представляется весьма трудноразрешимой в техническом отношении задачей: ведь эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом.

Правда, на заключительных этапах существования массивных звезд с массой в 20 — 30 масс Солнца при гравитационном коллапсе этих объектов, как показал Я, Б. Зельдович, могут возникать условия, при которых генерируются кратковременные нейтринные вспышки длительностью около 20 секунд. При этом испускаются нейтрино с энергией порядка 10–15 МэВ. Такие вспышки в принципе могут быть зарегистрированы.

Но, пожалуй, наиболее перспективна нейтринная астрономия высоких энергий — от 50 — 100 ГэВ и выше. Эта астрономия пока еще только зарождается, но о том, какого рода сведения она способна нам принести, можно судить уже сейчас, поскольку физические процессы, способные порождать нейтрино подобных энергий, нам известны. Такие нейтрино должны рождаться в результате взаимодействия ускоренных высокоэнергичных частиц с газом или электромагнитным излучением.

Где во Вселенной это может происходить? Например, при прохождении протонов высоких энергий, которые входят в состав космических лучей, через большие толщи газа. Столкновение таких протонов с атомными ядрами приводит к рождению заряженных пи-мезонов (пионов), при распаде которых появляются нейтрино.

Возможен и другой процесс. Многие космические объекты являются источниками интенсивных электромагнитных излучений. Вблизи этих объектов плотность фотонов может быть настолько велика, что протоны высоких энергий, многократно сталкиваясь с ними, растрачивают всю свою энергию. Это также приводит к рождению пионов, а затем и появлению нейтрино.

Важно отметить, что механизмы, о которых идет речь, рождают не только нейтрино, но и гамма-излучение. Однако при всей своей энергии гамма-фотоны не всегда достигают Земли. Потому ли, что объект, где они возникают, для гамма-излучения непрозрачен, или же в связи с расстоянием, столь большим, что гамма-фотоны поглощаются в межгалактическом пространстве прежде, чем дойдут до нас. В подобных случаях нейтринный вестник космических процессов может принести особенно интересную информацию.

Что же касается тех космических объектов, которые способны ускорять заряженные частицы и порождать протоны высоких энергий, то они могут иметь различную природу. Вообще говоря, ускорителями частиц являются все сколько-нибудь активные космические объекты. Частицы могут ускоряться в межзвездной и межпланетной среде, на Солнце, в магнитосфере Юпитера и даже Земли. Но особенно мощными ускорителями заряженных частиц являются вспышки сверхновых звезд и активные физические процессы, происходящие в ядрах галактик и квазарах.

Большой интерес представила бы также регистрация реликтовых нейтрино, которые согласно существующей теории могли возникать на некоторых этапах ранней стадии эволюции Вселенной. Изучение подобных нейтрино не только позволило бы еще раз проверить справедливость этой теории, но и помогло бы глубже разобраться в тонкостях происходивших в отдаленном прошлом физических процессов.

Новое тело в Солнечной системе

До сих пор в этой главе речь шла о тех новых данных, которые принесло современной астрономии овладение методами наблюдений в различных диапазонах электромагнитных излучений. Конечно, и эти данные, как и любые данные наблюдений, «вливаются» в общую картину Вселенной только тогда, когда их удаётся осмыслить с позиций определенных научных теорий. Но есть и такие проблемы, в которых теоретические исследования играют особенно важную роль, и именно они ведут к новым открытиям.

Одной из таких проблем является вопрос о «пределах» планетной семьи Солнца.

Как известно, каждая из планет Солнечной системы, перемещаясь по своей орбите, испытывает притяжение не только со стороны Солнца, но и со стороны других планет, обращающихся вокруг дневного светила. Благодаря этому наблюдаются так называемые возмущения — небольшие отклонения планетных орбит от тех, по которым двигалась бы каждая из планет, находись она в одиночестве.

Так как взаимное расположение планет постоянно изменяется, то и картина возмущений планетных движений весьма сложна и в целом не поддается абсолютно точному расчету. Однако при некоторых упрощающих предположениях возмущения, по крайней мере со стороны ближайших планет, могут быть вычислены. Возможно решение и обратной задачи — по наблюдениям возмущений орбиты той или иной планеты можно определить массу и положение в пространстве возмущающего тела.

Именно таким путем была в свое время открыта восьмая планета Солнечной системы — Нептун. К концу первой половины XIX в. в движении седьмой планеты — Урана были обнаружены такие отклонения, которые никак нельзя было объяснить притяжением уже известных планет, обращающихся вокруг Солнца. Оставалось предположить, что на Уран влияет какая-то еще неизвестная «заурановая» планета. Исходя из этого, французский ученый У. Леверье и английский ученый Дж. Адамс рассчитали, где и когда должна находиться неизвестная планета. Следуя этим указаниям, немецкий астроном И. Галле действительно обнаружил новую планету, которая и получила название Нептун. В начале текущего века американский астроном П. Ловелл по возмущениям орбиты Нептуна вычислил орбиту девятой планеты — Плутона, которая и была открыта в 1930 г.

Однако возмущения, вызываемые Плутоном, не могут объяснить всех тех возмущений, которые наблюдаются в движении Нептуна. Зарегистрированы «незапланированные» возмущения и у орбиты самого Плутона. Это давало основания предполагать, что за орбитой 9-й планеты Солнечной системы существует еще какое-то неизвестное тело. Тем не менее обнаружить это тело или получить о нем какие-либо более точные сведения долгое время не удавалось. Однако наблюдения за траекториями движения американских космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер» обнаружили довольно значительные отклонения от расчетных орбит. Последующие вычисления показали, что эти отклонения с большой степенью вероятности могут быть объяснены воздействием со стороны неизвестного объекта, расположенного за орбитой Плутона, с массой, превосходящей массу Земли и, быть может, достигающей массы Солнца. Согласно предварительным данным находится это тело на расстоянии от нескольких сотен миллиардов до триллиона километров от Солнца. Это в несколько десятков тысяч раз больше, чем расстояние Земли от Солнца.

Интересно отметить, что несколько лет назад был обнаружен еще один любопытный эффект, возможно, также указывающий на существование в окрестностях Солнечной системы какого-то массивного тела. Этот эффект связан с наблюдением пульсаров. Пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звезды. Вследствие вращения регистрируемое радиотелескопами остронаправленное радиоизлучение таких звезд представляет собой серии радиоимпульсов, следующих один за другим (рис. 10). Но так как со временем скорость вращения пульсаров изменяется, то изменяется и частота принимаемых на Земле радиоимпульсов.