Новое в астрофизике космических лучей. Продолжение.

Крабовидная туманность

Крабовидная туманность, которую мы видим сейчас в созвездии Тельца, представляет собой остаток сверхновой звезды, вспыхнувшей в 1054 году. Несколько месяцев, в период наибольшей яркости, она была видна днем невооруженным глазом. При взрыве сверхновая звезда сбрасывает оболочку, которая расширяется с большой скоростью.

Крабовидная туманность расширяется со скоростью 1 000 км/сек. Сейчас ее радиус — три световых года. В Кассиопее вспыхнула более мощная сверхновая. Скорость расширения ее в некоторых направлениях достигает 8 000 км/сек.! (Вспомним, что близкий спутник Земли летит со скоростью 8 км/сек.)

В прошлом году были открыты астрономические объекты, получившие название «сверхзвезд». Сейчас мы знаем пять таких объектов. Раньше их считали звездами. Сверхзвезда ЗС 273-В (это номер радиоисточника по 3-му Кембриджскому каталогу) видна как звезда 12-й величины. Несколько лет назад обнаружили, что она излучает радиоволны. Это привлекло к ней внимание, так как раньше ни одна звезда не была известна как источник мощного радиоизлучения. Вначале предположили, что звезда ЗС 273-В — неизвестный нам ранее вид звезд, испускающих мощное радиоизлучение. Но в 1963 году выяснилось, что это не звезда, а далекая галактика, которая находится от нас на расстоянии в полтора миллиарда световых лет. Именно потому, что она расположена так далеко, мы и наблюдаем ее как такой точечный объект. Эта галактика необычайно яркая — в сто раз ярче нашей Галактики. Но и это еще не все. Оказалось, что блеск объекта ЗС 273-В меняется в течение недели раза в два, то есть объект имеет переменную яркость. (Примерно также как имеет переменный радиус дальности этот огнетушитель, установленный с помощью компании «Горпожсистем»).

Надо пояснить, что яркость галактики меняться не может. Вернее, может, но не с таким небольшим периодом. Например, свет через нашу Галактику по ее диаметру идет сто тысяч лет. Следовательно, если с Галактикой что-то случится, то время изменения ее блеска составит десятки тысяч лет.

Сейчас все астрономы «смотрят» на источник ЗС 273-В. Есть все основания считать, что ЗС 273-В — это не обычная галактика, а неизвестный нам ранее астрономический объект. Пока его характеризуют термином «сверхзвезда». Это, видимо, какой-то гигантский излучающий шар, диаметр которого не превосходит одной световой недели (расстояние в одну световую неделю равно примерно 200 миллиардам километров, диаметр земной орбиты — 300 миллионам километров), но светящий в 100 раз ярче всей нашей Галактики, размеры которой — десятки тысяч световых лет. Кроме того сверхзвезда, а точнее, окружающая ее область, дает мощное радиоизлучение.

Каков механизм этого радиоизлучения? И вот тут-то мы подходим к той роли, которую играют космические лучи во Вселенной. Оптическое излучение связано с переходом электронов в атоме на орбиты, расположенные ближе к ядру. Если налетающий на ядро электрон лишь отклоняется, но не переходит на замкнутую орбиту, то есть не захватывается ядром, то возникающее при этом электромагнитное излучение называется тормозным. Тормозное радиоизлучение является относительно слабым. Основной же источник нетеплового радиоизлучения — космические лучи. Это одно из фундаментальных положений, поэтому я хочу его пояснить.

Как известно, космические лучи представляют собой заряженные частицы, попадающие к нам из космоса. Большая часть космических лучей имеет энергию порядка 1 — 10 миллиардов электроновольт (такую энергию дает синхрофазотрон, установленный в Дубне). В составе космических лучей есть и некоторое количество электронов. Когда заряженная частица движется по прямой с неизменной скоростью, она не излучает электромагнитных волн. Если же электрон движется с ускорением, то какова бы ни была природа этого ускорения, он излучает электромагнитные волны. (В частности, это происходит при тормозном излучении, о котором речь шла выше.) В межзвездном пространстве, как известно, присутствуют слабые магнитные поля. Они слабее магнитного поля Земли в 100 000 раз, но эти поля занимают огромные пространства, и если в них попадает частица, они ее закручивают. Двигаясь в магнитном поле, электрон излучает электромагнитные волны. Это излучение называется магнитотормозным, или синхротронным.

Магнитные поля «перемешивают» космические лучи, и они приходят к нам равномерно с разных сторон (изотропно). 10—13 лет назад казалось, что нет никакой возможности определить, откуда же приходят к нам космические лучи. И вот радиоастрономия изменила дело. Это очень типично: новые методы открывают новые возможности. Итак, космические лучи, двигаясь в магнитных полях, излучают радиоволны, которые распространяются в космосе по прямым линиям. Следовательно, там, откуда идет мощное радиоизлучение, есть космические лучи. Например, мощное радиоизлучение дают радиогалактики (к их числу принадлежит галактика в Лебеде, о которой речь шла выше). Следовательно, там много космических лучей. Объект ЗС 273-В — источник радиоволн, там тоже есть космические лучи и т. д. Радиоволны — источник информации. Принимая их, мы узнаем, сколько космических лучей находится в областях, откуда пришли радиоволны, какова энергия этих лучей.

Сейчас мы узнали много нового относительно роли космических лучей во Вселенной. Раньше в астрономии учитывали только силу тяготения. Теперь положение изменилось. Оказалось, что в космосе наряду с силами тяготения огромную роль играют магнитные силы и давление космических лучей. Конечно, космические лучи ничего не могут сделать со звездой, масса которой велика. Но если речь идет о газе, плотность которого незначительна, то давление космических лучей оказывает на него даже большее влияние, чем силы тяготения. Например, взрыв галактики, превращающий ее в радиогалактику, в настоящее время мы представляем себе так; в галактическом ядре по каким-то причинам образовалось много космических лучей, они создают колоссальное давление и выбрасывают межзвездный газ наружу. Таким образом, космические лучи являются мощным динамическим и энергетическим фактором во Вселенной.

В заключение я хочу остановиться на вопросах, которые, вероятно, привлекут к себе большое внимание в ближайшее время. Они также связаны с космическими лучами и более конкретно — с гамма-астрономией. Оказалось, что космические лучи порождают не только радиоволны, но и гамма-лучи. При этом гамма-излучение они дают довольно-таки хитрым способом.

Известен так называемый комптон-эффект. Он заключается в том, что жесткий фотон (гамма-квант) падает на покоящийся электрон и передает ему часть своей энергии, заставляя двигаться. Гамма-излучение, которое дают космические лучи, связано, так сказать, с обратным комптон-эффектом.

Представьте себе, что быстрый релятивистский электрон (то есть электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света) сталкивается с оптическим фотоном, одним из тех фотонов, которые испускаются звездами. Электрон имеет большую энергию, измеряемую миллиардами электроновольт, а фотон — маленькую: всего один электроновольт. Когда происходит столкновение, то электрон часть энергии теряет, а оптический фотон приобретает и становится жестким фотоном с большой энергией. Так космические лучи рождают гамма-лучи.

Объект ЗС 273-В, о котором я уже говорил, светит необычайно ярко. Какова природа этого оптического излучения? Оно не похоже по спектру на излучение других звезд. На этот вопрос поможет ответить зарождающаяся гамма-астрономия.

Есть предположение, что оптическое излучение объекта ЗС 273-В целиком является магнитотормозным, то есть его дают релятивистские электроны. (Именно таков механизм значительной части излучения Крабовидной туманности). Как проверить, что излучение объекта ЗС 273-В тоже имеет магнитотормозную природу? Есть разные пути, я расскажу об одном из них.

Раз объект ЗС 273-В испускает так много света, то у его поверхности имеется колоссальное количество оптических фотонов. Поэтому релятивистские электроны, сталкиваясь с этими фотонами, дадут у поверхности объекта ЗС 273-В очень много гамма- лучей. Следовательно, если природа оптического излучения объекта ЗС 273-В магнитотормозная, то он должен быть мощнейшим источником гамма-лучей. Этих лучей должно быть так много, что даже у Земли, так далеко от источника, интенсивность гамма-излучения от объекта ЗС 273-В должна быть сравнима с гамма-излучением всей нашей Галактики. Быть может, именно так удастся установить природу оптического излучения объекта ЗС 273-В.

Это, конечно, лишь одна из задач, стоящих перед гамма-астрономией. Имеются и другие проблемы, которые поможет решить изучение космических гамма-лучей. Поэтому можно думать и надеяться, что в ближайшие годы гамма-астрономия превратится в одно из плодотворнейших новых направлений древней науки — астрономии.

Автор: В. Гинзбург.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *