Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

Рис. 10.13. Вверху: излучение (красная волнистая стрелка) возникает в атоме, когда электрон (серый кружок) переходит с внешней орбиты на более близкую к ядру атома (красный кружок). Излучение имеет вполне определенную для данного атома и данного перехода энергию. Внизу: в сильном магнитном поле (вертикальные стрелки) электроны могут вращаться по круговым орбитам, подобным орбитам в атоме. Здесь при переходе с внешней орбиты на внутреннюю также будет излучаться энергия, зависящая от напряженности магнитного поля. Считают, что показанный на рис. 10.12пик интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 связан именно с таким переходом электронов в магнитном поле нейтронной звезды.

У источника Геркулес Х-1 заметная часть излучения приходится на вполне определенную энергию 58 кэВ. Однако ни один из нормально встречающихся в природе атомов не излучает фотонов с такой энергией. Трюмпер попытался объяснить это излучение механизмом, который впервые предложил советский физик Лев Ландау (диамагнетизм Ландау).

Оъяснение основано на том, что в магнитном поле траектория электрона искривляется настолько, что электрон начинает двигаться по круговой орбите. Если магнитное поле очень сильное, то радиус орбиты мал; в сверхсильных магнитных полях круговые траектории электронов могут стать сравнимыми с атомными орбитами. Но в этом случае в силу вступают законы квантовой механики, согласно которым «разрешены» лишь строго определенные орбиты. Когда электрон переходит с внешней орбиты на внутреннюю, он испускает квант излучения, энергия которого определяется напряженностью магнитного поля. Поэтому, считали Трюмпер и его коллеги, и появляется пик на кривой излучения источника Геркулес Х-1. Но если это так, то магнитное поле должно быть более чем в сто миллиардов раз сильнее земного! Силы, возникающие в таком поле, настолько велики, что гравитация не смогла бы удержать белый карлик в равновесии: магнитные поля разорвали бы звезду. Поэтому следует заключить, что Геркулес Х-1 является нейтронной звездой.

Итак, в двойной системе, к которой принадлежит Геркулес Х-1, за рентгеновское излучение ответственна нейтронная звезда. Когда-то в этой системе произошел взрыв сверхновой, и первоначально более массивная компонента оставила после себя нейтронную звезду. Но это было очень давно: образовавшееся при взрыве облако давно рассеялось. Сегодня вещество со звезды, которая была менее массивной компонентой и пока еще находится близко к главной последовательности, падает на нейтронную звезду. Когда оно, направляемое магнитными полями, падает в области магнитных полюсов, возникает рентгеновское излучение. При этом излучение, создаваемое при переходе с одной орбиты на другую теми электронами, которые в магнитном поле закружились по крошечным круговым траекториям, имеет пик на 58 кэВ.

После «Ухуру» были запущены другие рентгеновские спутники, проводилось множество экспериментов на аэростатах. Одна из сложностей в рентгеновской астрономии состоит в том, что до сих пор не удалось создать рентгеновскую фотографическую камеру. Рентгеновские лучи невозможно фокусировать с помощью линз. Зеркала тоже не отражают рентгеновские лучи под большими углами: для использования зеркала нужно, чтобы рентгеновские лучи приходили под очень малым углом к поверхности зеркала. Пользуясь этим свойством, физик Ганс Вольтер (1911–1978), работавший тогда в Киле, придумал в 1952 году способ рентгеновской фотографии. С ноября 1978 года на орбите работает запущенная NASA Эйнштейновская обсерватория; на ней установлен рентгеновский телескоп диаметром 57 см. Предполагают, что имеется до миллиона рентгеновских источников, которые могут быть зарегистрированы этим прибором. Первый немецкий «телескоп Вольтера» диаметром 32 см был успешно запущен на ракете в феврале 1979 года. В ФРГ запланировано изготовление 80-сантиметрового рентгеновского телескопа.

В последние годы обнаружен еще один тип рентгеновских источников, которые чаще всего, по-видимому, встречаются в шаровых скоплениях. Эти источники посылают рентгеновские импульсы в виде «ливней», каждый из которых, продолжаясь порой всего несколько секунд, обладает такой же энергией, какую наше Солнце излучает за целую неделю. Эти ливни не обнаруживают регулярности источника Геркулес Х-1; вращающееся тело, задающее ритм импульсов, здесь, по-видимому, отсутствует (рис. 10.14). Тем не менее в приходе импульсов наблюдается некая закономерность. Из шарового скопления в созвездии Скорпиона мы принимаем в рентгеновских ливнях импульсы с периодичностью около 40 секунд, которая, однако, выдерживается не слишком строго: после сильного импульса «молчание» длится дольше, чем после слабого. Вероятно, и у этих источников вещество падает на компактный объект, однако механизм, благодаря которому высвобождение энергии происходит не постоянно, а в виде ливней, отличается от механизма, обеспечивающего пульсацию источника Геркулес Х-1.

Рис. 10. 14. Сигналы источника МХВ 1730-335 исходят из шарового скопления, на которое обратили внимание после открытия здесь рентгеновского источника. Импульсы идут сериями по 10–20 отдельных вспышек. Интенсивность вспышек неодинаковая. После особенно сильных выбросов источнику требуется передышка, прежде чем он начнет новую серию импульсов.

Шаровые скопления являются старыми, как мы уже знаем из гл. 2. В них давно уже не рождаются звезды. Было очень заманчиво считать эти скопления безжизненными образованиями. Однако рентгеновские ливни, которые исходят из них, показывают, что в них еще продолжается жизнь.

Во Вселенной может существовать множество нейтронных звезд, о которых мы ничего не знаем. Вероятно, все они являются останками сверхновых, но не исключено, что в природе существуют и иные, неизвестные еще нам пути их возникновения. Нам и не удалось бы ничего узнать о них, если бы на них не падало вещество с их звездных спутников. Только тогда они проявляют себя, посылая к нам рентгеновское излучение.

В 1960 году во время одной из лекций я попросил своих слушателей представить, что существует прибор, который преобразует все приходящее из Вселенной к нам излучение в слышимый звук. Наряду с ровным шумом звезд и треском солнечных помех мы бы услышали шум известных тогда радиосточников, нарастающий и затихающий сообразно с восходом и заходом этих источников на горизонте при вращении Земли. Тогда мы знали лишь о довольно длинноволновом космическом излучении. Сегодня, двадцать лет спустя, мне приходится внести поправки в эту картину. Кроме известных тогда источников, во «вселенский хор» вольются и новые голоса: на фоне ровного шума мы услышим тиканье пульсаров, низкое гудение пульсара в Крабовидной туманности, импульсы которого наше ухо не могло бы уже разделить, пулеметные очереди рентгеновских источников — например, источника МХВ 1730-335, который из шарового скопления посылает к нам мощные импульсы, причем после десятка импульсов с интервалом 10–20 секунд следует перерыв на несколько минут, а потом вновь идет серия импульсов. «Шум Вселенной» — это не только ровное шипение: это и щелчки, и барабанная дробь, и жужжание, и треск. И виновницами всего этого трезвона являются, скорее всего, нейтронные звезды.