Original Material
Широко распахнутое окно
В этом году исполнилось 50 лет с начала астрономических наблюдений в рентгеновском диапазоне. «Рентгеновский взгляд» на Вселенную позволил открыть и узнать много интересного. Изучение нейтронных звезд было бы практически невозможно без рентгеновских наблюдений. Про черные дыры мы долгое время получали информацию только благодаря рентгеновским спутникам, да и сейчас они остаются главным источником данных об этих объектах. Даже космологи сейчас с надеждой взирают на грядущие массовые наблюдения скоплений галактик в рентгеновском диапазоне. О некоторых важных этапах в ранней истории рентгеновской астрономии рассказывается в статье Павла Амнуэля, автора замечательной книги «Небо в рентгеновских лучах».
Международная конференция, посвященная юбилею рентгеновской астрономии, состоится 17-21 сентября на острове Миконос в Греции. Среди приглашенных докладчиков — Риккардо Джаккони, который полвека назад открыл новую эпоху в истории исследований космоса. Восьмидесятилетний патриарх вспомнит, конечно, как он, молодой, полный надежд и определенного скептицизма (интересно спросить у него сейчас: чего было больше на самом деле?), провожал взглядом взлетавшую в зенит ракету с рентгеновскими счетчиками на борту.
В тот момент 30-летний исследователь тоже, возможно, вспоминал о том, например, с чего всё началось. Как он и его коллеги-друзья Бруно Росси, Франк Паолини и Херберт Гурски задумали поискать источники космического рентгеновского излучения, не связанные с Солнцем.
До 1948 года никто не пытался увидеть небо в рентгеновском диапазоне. Проблема заключалась в том, что рентгеновские исследования невозможно проводить с поверхности Земли.Жесткое излучение (с энергией более 20 кэВ) полностью поглощается атмосферой на высотах до 20 км, а для наблюдений в так называемом «классическом» (1-20 кэВ) и особенно — в мягком (менее 1 кэВ) диапазонах необходимо поднять аппаратуру на высоту более 200 км.
Рентгеновское излучение Солнца обнаружила группа Ричарда Барнайта из Морской лаборатории (США). В 1948 году они запустили ракету, поднявшуюся на высоту 200 км. На борту находилась фотоэмульсия, покрытая фильтрами из бериллия и алюминия. Эмульсия почернела. Годом позднее другой американский исследователь — Херберт Фридман подтвердил открытие с помощью установленного на ракете счетчика фотонов. Так было доказано, что Солнце испускает рентгеновские лучи.
Тепловое тормозное излучение прозрачной плазмы — таков механизм излучения солнечной короны, так же могут излучать и короны обычных звезд. Но рентгеновский поток от звезд, даже самых близких, вряд ли может превышать 10-3 фотона/(см2/с). Обнаружить такое слабое излучение в 50-е годы было невозможно, и в течение десятка лет проблема не выходила из стадии теоретического обсуждения.
В конце 50-х годов проблемой заинтересовались в США Риккардо Джаккони, Бруно Росси и несколько их коллег. Сложную задачу обнаружения космического рентгеновского излучения, не связанного с Солнцем, они пытались решить двумя способами: во-первых,увеличивая чувствительность приемной аппаратуры и, во-вторых, выбирая для исследования не Солнце и звезды, а другие, промежуточные цели. Возможно, полагали они, существуют какие-то иные, ранее не обсуждавшиеся типы излучений, которые позволят указать на небесные объекты, потенциально способные интенсивно испускать рентгеновские лучи.
И неожиданно самой перспективной целью исследований стала Луна. Дело в том,что в конце 50-х годов, после запуска первых ИСЗ и АМС,был обнаружен солнечный ветер — поток частиц, истекающий из солнечной короны. В Массачусетском технологическом институте Бруно Росси был назначен руководить программой исследований солнечного ветра. Нужно было определить концентрацию частиц ветра, скорости их движения и т.д. И тогда внимание исследователей неожиданно привлекла Луна. Ведь электроны солнечного ветра, достигая Луны, резко тормозятся в ее поверхностном слое. Значит, может возникнуть тормозное рентгеновское излучение. И даже более того: поверхность Луны способна флуоресцировать под действием падающего на нее рентгеновского излучения Солнца. Ведь в отличие от Земли, где рентгеновское космическое излучение задерживается атмосферой, на Луне оно достигает поверхности.
Оценки показали, что от Луны можно ожидать потока примерно 1 фотон/(см2с) в диапазоне энергий 1-10 кэВ. Этот поток в миллион раз меньше солнечного, но рентгеновские счетчики, разработанные к тому времени, было в сто раз чувствительнее прежних, и это обстоятельство повышало шансы на успех.
Риккардо Джаккони и его коллеги решили использовать в качестве носителя ракету Aerobee-150, способную достигать высоты 200 км (рис. 1). На ракете установили три гейгеровских счетчика площадью по 10 см2 каждый. Счетчики работали в энергетическом диапазоне от 1,6 до 6,2 кэВ.
Запуск состоялся 18 июня 1962 года с ракетного полигона Уайт Сэндс в Нью-Мексико. Как только начались наблюдения, два из трех счетчиков сразу показали резкий рост скорости счета фотонов. Интенсивность сигнала менялась с тем же периодом, с каким сама ракета вращалась вокруг оси. Это означало, что наблюдалось не фоновое излучение, приходящее со всех сторон, а локальный источник, неподвижный относительно звезд. Определить надежно положение источника на небе было затруднительно, прибор не был рассчитан на точное наведение. Ясно было, однако, что направление на источник (созвездие Скорпиона) не совпадает ни с Солнцем, ни с Луной, ни с каким-либо иным объектом Солнечной системы. Приборы зафиксировали поток излучения, впятеро больший, чем ожидалось от Луны.
В первую очередь участники эксперимента подумали: может, произошла ошибка? Не подвергся ли, например, прибор влиянию каких-то неучтенных процессов в верхней атмосфере? Чтобы отсеять возможные сомнения, понадобилось несколько запусков. Наконец существование яркого рентгеновского источника за пределами Солнечной системы было доказано.
Итак, источник обнаружен. Но что он собой представляет? Если это небесное тело, действительно расположенное за пределами Солнечной системы, на расстоянии хотя бы ближайшей звезды — Проксимы Центавра, то его рентгеновская светимость в 10 млн раз превышает рентгеновское излучение Солнца! А если (чего нельзя было исключить) источник находится значительно дальше? Никакой из известных классов звезд не способен дать даже небольшой доли этого мощнейшего излучения!
Так первый же внимательный «взгляд» на небо в рентгеновских лучах поставил задачу, для решения которой понадобились годы. Эта точка в созвездии Скорпиона (лат. Scorpius) стала отправной в истории нового направления астрономической науки.
Источник был назван Sco X-1 (некоторое время именно такую форму использовали для обозначения источников: трехбуквенное сокращенное название созвездия, Х — поскольку рентгеновские лучи по-английски называются X-rays, и номер источника по порядку открытия; т.е. Cyg X-3 — это третий открытый рентгеновский источник в созвездии Лебедя, разумеется, нумерация в каждом созвездии начинается с единицы). В 1963 году, во время полета ракеты, запущенной другой группой исследователей, существование источника в Скорпионе было еще раз подтверждено. Более того, был открыт еще один яркий источник. Он оказался в 8 раз слабее, находился в созвездии Тельца (лат. Taurus) и получил название Tau X-1. Координаты источника совпали с известным остатком вспышки сверхновой — Крабовидной туманностью.
Стало окончательно ясно, что рентгеновская астрофизика не просто раздвигала узкие границы окна, через которое исследователи изучали Вселенную. Она открыла людям новый, неизведанный мир. За создание рентгеновской астрономии, начавшейся с обнаружения Sco Х-1, Риккардо Джаккони в 2002 году получил Нобелевскую премию (рис. 2).
Исследования рентгеновского неба невозможно вести с Земли, но невозможно изучать рентгеновское небо, не координируя исследования с одновременными наблюдениями с помощью наземных оптических и радиотелескопов. Астрономия полвека назад стала всеволновой. Сейчас в космосе летают спутники, чьи приборы охватывают практически весь диапазон электромагнитных волн — отрадно (российский Спектр-Р), инфракрасного (Spitzer) и оптического (Hubble) излучения вплоть до жестких рентгеновских и гамма-лучей (Fermi, INTEGRAL, рис. 3).
Число каталогизированных рентгеновских источников исчисляется уже многими тысячами, и по меньшей мере десять спутников, запущенных разными странами (Россия, США, Евросоюз, Япония, Италия), посылают на Землю информацию о самых загадочных объектах Вселенной. Вот уже 12 лет находятся на орбите и ведут активные наблюдения спутники Chandra и ХММ-Newton (рис.4).
О том, насколько разнообразны объекты рентгеновских космических исследований, можно судить хотя бы по программе юбилейной конференции в Миконосе. Будут прочитаны доклады о рентгеновском излучении:
— горячего межгалактического газа, нагретого до температур, достигающих десятков миллионов градусов;
— ядер активных галактик (в центре которых расположены сверхмассивные, до десяти миллиардов солнечных масс, черные дыры);
— обычных галактик (откуда наблюдается суммарное излучение всех объектов, которые есть и в нашей Галактике);
— скоплений галактик;
— двойных звездных систем с релятивистскими звездами или белыми карликами;
— обычных взрывных переменных;
— остатков вспышек сверхновых;
— звездных ветров от молодых звездных скоплений;
— звездных ветров от голубых сверхгигантов;
— горячих звездных корон;
— и многих других объектов, о которых полвека назад никому бы и в голову не пришло говорить, что они могут быть источниками рентгеновского излучения.
Со временем, когда чувствительность рентгеновских телескопов и счетчиков еще более увеличится, можно будет наблюдать в других звездных системах и эффект, в поисках которого полвека назад Риккардо Джаккони и его коллеги запустили ракету Аerobee-150: будет зарегистрировано, как обычная земноподобная планета в далекой звездной системе отражает рентгеновское излучение своей звезды.
Оптической астрономии понадобилось четыре столетия, чтобы пройти путь от первого телескопа Галилея и открытия спутников Юпитера до обнаружения экзопланет и сверхдалеких галактик. Рентгеновская астрономия прошла аналогичный путь за полвека. Правда, путь этот рентгеновская астрономия прошла об руку с оптической и радио. И это одна из главных особенностей современной астрономии — мы смотрим на Вселенную через широко распахнутое окно.