Альманах «ЭВРИКА»

Часть  I     В ПОИСКАХ «ГОВОРЯЩИХ» ЗВЕЗД

ПОИСКИ НЕВИДИМЫХ ЗВЕЗД

Природа гамма-излучения та же, что и у видимого света, и то и другое — электромагнитные волны. Однако энергия гамма-квантов высоких энергий в десятки, сотни, тысячи миллионов раз превышает энергию фотонов.

Одна из - центральных проблем астрофизики связана с происхождением космических лучей. Где, в ходе каких процессов образуются в космосе быстрые протоны, другие атомные ядра, максимальная энергия которых во много раз больше, чем у получаемых в самых мощных земных ускорителях частиц? Оказалось, что место рождения космических лучей можно обнаружить по гамма-излучению высоких энергий. Дело в том, что при взаимодействии энергичных ядер с газом или пылью межзвездной среды образуются элементарные частицы (пиноль-мезоны), которые затем распадаются на гамма-кванты. Чем больше плотность космических лучей, тем ярче в гамма-диапазоне светится среда, окружающая их источник. Таким образом, гамма-астрономия позволяет прозондировать, определить интенсивность космических лучей в далеких участках Галактики. Источником этих лучей и гамма-квантов могут быть взрывы звезд или галактик.

Гамма-астрономия может дать информацию и об объектах, где вещество находится в экстремальном состоянии. К их числу относятся, например, нейтронные звезды. Кубический сантиметр вещества такой звезды весит около 100 миллионов тонн. Некоторые нейтронные звезды, вращаясь, испускают короткие периодические импульсы, за что и получили название пульсаров. Гамма-кванты образуются и при взаимодействии антивещества с веществом.

Уже этот далеко не полный перечень проблем стимулирует активные исследования космического гамма-излучения. Необходимость этого лет двадцать назад отметил академик В. Гинзбург. Почему же освоение гамма-диапазона астрономы начали лишь недавно? Гамма-излучение поглощается в атмосфере, и, конечно, спутники и космические корабли — лучшие носители гамма-телескопов. 'Энергия гамма-квантов велика, а поток их около Земли ничтожно мал. Астрономы буквально охотятся за каждым гамма-квантом. Ведь в поле зрения гамма-телескопов, с помощью которых велись измерения в последнее время, даже от самой яркой гамма-звезды попадал всего один квант за несколько минут. Наконец, наблюдения космического гамма-излучения приходится вести в условиях огромного фона вторичных, местных гамма-квантов. Заряженная компонента космических лучей в десятки тысяч раз превышает поток первичных гамма-квантов, и под действием быстрых протонов и электронов атмосфера Земли и конструкции спутника сами сияют в гамма-лучах, мешают регистрации гамма-квантов, приходящих из далекого космоса.

Рождение наблюдательной гамма-астрономии было обеспечено, с одной стороны, созданием эффективных гамма-телескопов, а с другой — запуском специально предназначенных для этих целей спутников. Прототипом современных гамма-телескопов высоких энергий стал прибор, работавший на   спутниках   «Космос-251»   и   «Космос-264». Этот телескоп совсем непохож на те, какие используются для оптических измерений. Его основу составляют искровая камера, черен-ковский счетчик, другие детекторы ядерных излучений.

Как же выглядит небо в гамма-лучах? Прежде всего на этом небе не видно не только привычных для нас звезд, но и самого Солнца, пока не удалось обнаружить идущего от него гамма-излучения высоких энергий. Зато Млечный Путь на карте гамма-неба выглядит как яркая узкая полоса. Его изображение, распределение/, яркости гамма-излучения соответствуют модели нашей Галактики в виде тонкого диска, блина, где Солнце занимает скромное место ближе к периферии, чем к центру звездной системы. Анализ рассеянного галактического гамма-излучения позволил сделать вывод, что плотность космических лучей на краю Галактики меньше, чем в окрестностях Солнца, а это значит, что основные источники космических лучей, как это предположил академик В. Гинзбург, по-видимому, находятся в Галактике, а не за ее пределами.

В каталоге источников гамма-излучения, зарегистрированных европейским спутником КОС-Б, перечислены характеристики 25 гамма-звезд. Точность измерений пока такова, что некоторые из этих источников могут оказаться не звездами, а протяженными светящимися областями. Самая яркая звезда на гамма-небе — пульсар в созвездии Паруса. Он не виден в оптические телескопы, однако в радио- и гамма-диапазонах этот пульсар, подобно маяку, с высочайшей точностью посылает периодические импульсы с интервалом около десятой доли секунды. Другая гамма-звезда совпадает с пульсаром в Крабовидной туманности. Эта туманность и пульсар — остатки взрыва звезды, происшедшего в 1054 году. Подобные явления названы взрывами сверхновых звезд. В максимуме   блеска   такая звезда излучает энергии в сотни миллионов раз больше, чем Солнце.

Советским физикам в 1972 году удалось зарегистрировать переменное гамма-излучение от рентгеновского источника в созвездии Лебедя. Вскоре этот результат был подтвержден данными с американского спутника. Источник в Лебеде — тесная система пары звезд, одна из которых, как полагает советский ученый Р. Сюняев, является пульсаром. Нестационарность, вспышечность процессов, характерных для этих звезд, приводит то к появлению, то к затуханию испускаемых ими радио- и гамма-излучений. Казалось бы, найдена разгадка источников космических лучей — это пульсары, остатки сверхновых. Однако полученные о гамма-излучениях от пульсаров экспериментальные данные дают основания полагать, что они продукт взаимодействия быстрых электронов. Что же касается энергичных ядер, то прямых доказательств их рождения в пульсарах пока нет. Гамма-телескопом обследовано 88 известных остатков сверхновых, но лишь у двух из них обнаружено гамма-излучение.

Один из гамма-источников совпадает с плотным газопылевым облаком в созвездии Змееносца. В окрестностях этого объекта нет остатков сверхновых, зато внутри облака содержится целая группа молодых, горячих, вспыхивающих звезд, совсем юных «звездных младенцев» типа звезды Т-Тельца. Недавно опубликовано сообщение об избытке гамма-излучения, приходящего от огромного газопылевого облака в созвездии Ориона. Может быть, возникновение космических лучей прежде всего связано не со смертью, а с рождением звезд, с формированием ассоциаций молодых звезд, впервые открытых академиком В. Амбарцумяном? Ответ на этот вопрос дадут эксперименты.

Зарегистрированы внегалактические гамма-источники, расстояния до которых  исчисляются  сотнями   миллионов световых лет. Это активные галактики и квазары. По мощности происходящие в них взрывные процессы в десятки миллионов раз превышают взрывы сверхновых. Возможно, что, когда мы говорим о гамма-звездах, речь идет о принципиально новом классе космических объектов.

Чтобы разобраться в природе источников как галактического, так и межгалактического гамма-излучения, необходимо, с одной стороны, улучшить технику наблюдения — повысить чувствительность гамма-телескопов, улучшить их угловое и энергетическое разрешение, а с другой — проводить комплексные измерения в разных диапазонах электромагнитного спектра. Ведь для гамма-источников характерна нестабильность, вспышечность, и важно получить разностороннюю информацию о каждом конкретном явлении.

Большие перспективы перед этой областью знания открыли успехи космонавтики. Появились возможности выводить на орбиты обсерватории для изучения гамма-излучения высоких энергий. Это позволит точно определять местоположение источников, их размеры.

Чтобы найти наиболее эффективный режим измерений, необходимо, в частности, хорошо знать, какие изменения претерпевают вторичные — рождаемые вблизи и внутри космического корабля — частицы гамма-излучения в зависимости от положения аппарата в пространстве, состояния магнитосферы Земли и т. д. С этой целью на орбитальной станции «Са-лют-6» проводился эксперимент «Гамма-фон» с помощью малогабаритного гамма-телескопа «Елена». Четкая работа экипажей станции обеспечила получение информации для конструирования будущих обсерваторий. Измерения с телескопом «Елена» представляют самостоятельный интерес для физики ближнего космоса: полученные  сотрудниками  Московского инженерно-физического института данные свидетельствуют в пользу существования в окрестностях Земли пояса захваченных нашей планетой электронов высоких энергий.

Интересная область исследования мягкого гамма-излучения охватывает ядерные спектры — линии излучения атомных ядер. Точные измерения позволят не только определить «сорт» ядра, посылающего сигналы из глубин космоса, но и его скорость.

Детектор мягких гамма-квантов, как и рентгеновский телескоп, который можно установить на орбитальной обсерватории, сможет регистрировать и так называемые гамма-всплески. Природа этого явления пока неясна. Твердо установлено, что мощные вспышки гамма-излучения длительностью от десятых долей до нескольких десятков секунд не связаны с Солнечной системой и происходят сравнительно редко. Ключ к пониманию этого явления, возможно, содержится в данных, полученных на межпланетных станциях «Венера» сотрудниками Физико-технического института АН СССР и Института космических исследований АН СССР. Ими выявлена периодическая структура вспышки, отмеченной в созвездии Золотой Рыбы.

Гамма-астрономия позволяет глубже понять явления природы. Однако покорить новые вершины познания трудно. Необходимы сложнейшие экспериментальные установки, требуется напряженная работа исследователей. Но разве наука ищет легкие пути?