Нове в астрофізиці космічних променів. Продовження.

Крабоподібна туманність

Крабоподібна туманність, яку ми бачимо зараз в сузір’ї Тельця, являє собою залишок наднової зірки, що спалахнула в 1054 році. Кілька місяців, в період найбільшої яскравості, вона була видна вдень неозброєним оком. При вибуху наднова зірка скидає оболонку, яка розширюється з великою швидкістю.

Крабоподібна туманність розширюється зі швидкістю 1000 км / сек. Зараз її радіус – три світлові роки. У Кассіопеї спалахнула більш потужна наднова. Швидкість розширення її в деяких напрямках досягає 8000 км / сек.! (Згадаймо, що близький супутник Землі летить зі швидкістю 8 км / сек.)

У минулому році були відкриті астрономічні об’єкти, що отримали назву «надзірок». Зараз ми знаємо п’ять таких об’єктів. Раніше їх вважали зірками. Надзірка ЗС 273-В (це номер радіоджерела по 3-му Кембриджському каталогу) видна як зірка 12-ї величини. Кілька років тому виявили, що вона випромінює радіохвилі. Це привернуло до неї увагу, так як раніше жодна зірка не була відома як джерело потужного радіовипромінювання. Спочатку припустили, що зірка ЗС 273-В – невідомий нам раніше вид зірок, що випускають потужне радіовипромінювання. Але в 1963 році з’ясувалося, що це не зірка, а далека галактика, яка знаходиться від нас на відстані у півтора мільярда світлових років. Саме тому, що вона розташована так далеко, ми і спостерігаємо її як такий точковий об’єкт. Ця галактика надзвичайно яскрава – у сто разів яскравіше нашої Галактики. Але й це ще не все. Виявилося, що блиск об’єкта ЗС 273-В змінюється протягом тижня рази в два, тобто об’єкт має змінну яскравість.

Треба пояснити, що яскравість галактики змінюватись не може. Вірніше, може, але не з таким невеликим періодом. Наприклад, світло через нашу Галактику за її діаметром йде сто тисяч років. Отже, якщо з Галактикою щось трапиться, то час зміни її блиску складе десятки тисяч років.

Зараз всі астрономи «дивляться» на джерело ЗС 273-В. Є всі підстави вважати, що ЗС 273-В – це не звичайна галактика, а невідомий нам раніше астрономічний об’єкт. Поки його характеризують терміном «надзірка». Це, мабуть, якась гігантська випромінююча куля, діаметр якої не перевершує одного світлового тижня (відстань в один світловий тиждень дорівнює приблизно 200 мільярдам кілометрів, діаметр земної орбіти – 300 мільйонам кілометрів), але світить в 100 разів яскравіше всієї нашої Галактики, розміри якої – десятки тисяч світлових років. Крім того надзірка, а точніше, навколишня її область, дає потужне радіовипромінювання.

Який механізм цього радіовипромінювання? І ось тут-то ми підходимо до тієї ролі, яку відіграють космічні промені у Всесвіті. Оптичне випромінювання пов’язано з переходом електронів в атомі на орбіти, розташовані ближче до ядра. Якщо налітаючий на ядро електрон лише відхиляється, але не переходить на замкнуту орбіту, тобто не захоплюється ядром, то електромагнітне випромінювання, що виникає при цьому називається гальмівним. Гальмівне радіовипромінювання є відносно слабким. Основне ж джерело нетеплового радіовипромінювання – космічні промені. Це одне з фундаментальних положень, тому я хочу його пояснити.

Як відомо, космічні промені являють собою заряджені частинки, які потрапляють до нас з космосу. Велика частина космічних променів має енергію порядку 1 – 10000000000 електроновольт (таку енергію дає синхрофазотрон, встановлений в Дубні). У складі космічних променів є й певна кількість електронів. Коли заряджена частинка рухається по прямій з постійною швидкістю, вона не випромінює електромагнітних хвиль. Якщо ж електрон рухається з прискоренням, то яка б не була природа цього прискорення, він випромінює електромагнітні хвилі. (Зокрема, це відбувається при гальмівному випромінюванні, про який йшлося вище.) У міжзоряному просторі, як відомо, присутні слабкі магнітні поля. Вони слабкіше магнітного поля Землі в 100000 разів, але ці поля займають величезні простори, і якщо в них потрапляє частинка, вони її закручують. Рухаючись у магнітному полі, електрон випромінює електромагнітні хвилі. Це випромінювання називається магнітотормозним, або синхротронним.

Магнітні поля «перемішують» космічні промені, і вони приходять до нас рівномірно з різних сторін (ізотропно). 10-13 років тому здавалося, що немає ніякої можливості визначити, звідки ж приходять до нас космічні промені. І ось радіоастрономія змінила справу. Це дуже типово: нові методи відкривають нові можливості. Отже, космічні промені, рухаючись в магнітних полях, випромінюють радіохвилі, які поширюються в космосі за прямими лініями. Отже, там, звідки йде потужне радіовипромінювання, є космічні промені. Наприклад, потужне радіовипромінювання дають радіогалактики (до їх числа належить галактика в Лебеді, про яку йшлося вище). Отже, там багато космічних променів. Об’єкт ЗС 273-В – джерело радіохвиль, там теж є космічні промені і т. д. Радіохвилі – джерело інформації. Приймаючи їх, ми дізнаємося, скільки космічних променів знаходиться в областях, звідки прийшли радіохвилі, яка енергія цих променів.

Зараз ми дізналися багато нового щодо ролі космічних променів у Всесвіті. Раніше в астрономії враховували тільки силу тяжіння. Тепер становище змінилося. Виявилося, що в космосі поряд з силами тяжіння величезну роль грають магнітні сили і тиск космічних променів. Звичайно, космічні промені нічого не можуть зробити із зіркою, маса якої велика. Але якщо мова йде про газ, щільність якого незначна, то тиск космічних променів робить на нього навіть більший вплив, ніж сили тяжіння. Наприклад, вибух галактики, що перетворює її в Радіогалактику, в даний час ми уявляємо собі так; в галактичному ядрі з якихось причин утворилося багато космічних променів, вони створюють колосальний тиск і викидають міжзоряний газ назовні. Таким чином, космічні промені є потужним динамічним і енергетичним фактором у Всесвіті.

На закінчення я хочу зупинитися на питаннях, які, ймовірно, привернуть до себе велику увагу найближчим часом. Вони також пов’язані з космічними променями і більш конкретно – з гамма-астрономією. Виявилося, що космічні промені породжують не тільки радіохвилі, але й гамма-промені. При цьому гамма-випромінювання вони дають досить-таки хитрим способом.

Відомий так званий Комптон-ефект. Він полягає в тому, що жорсткий фотон (гамма-квант) падає на спочиваючий електрон і передає йому частину своєї енергії, змушуючи рухатися. Гамма-випромінювання, яке дають космічні промені, пов’язано, так би мовити, із зворотним комптон-ефектом.

Уявіть собі, що швидкий релятивістський електрон (тобто електрон, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла) стикається з оптичним фотоном, одним з тих фотонів, які випускаються зірками. Електрон має велику енергію, вимірювану мільярдами електроновольт, а фотон – маленьку: всього один електроновольт. Коли відбувається зіткнення, то електрон частину енергії втрачає, а оптичний фотон набуває і стає жорстким фотоном з великою енергією. Так космічні промені народжують гамма-промені.

Об’єкт ЗС 273-В, про який я вже говорив, світить надзвичайно яскраво. Яка природа цього оптичного випромінювання? Воно не схоже по спектру на випромінювання інших зірок. На це питання допоможе відповісти зароджувана гамма-астрономія.

Є припущення, що оптичне випромінювання об’єкта ЗС 273-В цілком є магнітотормозним, тобто його дають релятивістські електрони. (Саме такий механізм значної частини випромінювання Крабовидної туманності). Як перевірити, що випромінювання об’єкта ЗС 273-В теж має магнітотормозну природу? Є різні шляхи, я розповім про один з них.

Раз об’єкт ЗС 273-В випускає так багато світла, то у його поверхні є колосальна кількість оптичних фотонів. Тому релятивістські електрони, стикаючись з цими фотонами, дадуть біля поверхні об’єкта ЗС 273-В дуже багато гама-променів. Отже, якщо природа оптичного випромінювання об’єкта ЗС 273-В магнітотормозна, то він повинен бути найпотужнішим джерелом гамма-променів. Цих променів повинно бути так багато, що навіть у Землі, що так далеко від джерела, інтенсивність гамма-випромінювання від об’єкта ЗС 273-В повинна бути порівнянна з гамма-випромінюванням всієї нашої Галактики. Бути може, саме так вдасться встановити природу оптичного випромінювання об’єкта ЗС 273-В.

Це, звичайно, лише одне із завдань, що стоять перед гамма-астрономією. Є й інші проблеми, які допоможе вирішити вивчення космічних гамма-променів. Тому можна думати і сподіватися, що в найближчі роки гамма-астрономія перетвориться на один з найбільш плідних нових напрямків стародавньої науки – астрономії.

Автор: В. Гінзбург.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что желающим глубже проникнуть в астрофизику космических лучей было бы неплохо приобрести недвижимость в Дубне, ведь именно в этом городе находится синхрофазотрон, о котором упоминалось в нашей статье.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *