За фиолетовым концом спектра

Коротковолновый участок спектра, отделенный от длиноволнового зоной видимых глазом лучей, состоит из трех типов излучений — ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Иногда ту область астрономии, которая использует для изучения Вселенной все эти лучи, называют астрономией высоких энергий. С какими же приемниками излучения приходится работать в этом случае?

Вся трудность приема коротковолнового излучения заключается в том, что для волн с длиной меньшей 200 ангстрем обычные преломляющие и отражающие системы становятся попросту непригодными. Если на участке от 400 до 200 миллимикрон еще кое-как, с большими ухищрениями, удается пользоваться линзами и зеркалами, то для рентгеновской части спектра (не говоря уж о гамма-лучах) кванты¹ становятся такими энергичными, что они запросто пробивают все известные нам материалы, не изменяя первоначального направления полета.

Но если нельзя сфокусировать рентгеновские и гамма-лучи, то как же их исследовать, как построить для них телескоп?

Выход все-таки был найден. Коротковолновое излучение очень энергично, или, как говорят физики, «жестко». Значит, кванты рентгеновских и гамма-лучей по своим свойствам похожи на обычные частицы (скажем, протоны), приходящие из космоса на Землю. Но тогда для регистрации жестких квантов годятся такие же счетчики, какие применяются при изучении космических лучей.

Самый несложный из них — знаменитый счетчик Гейгера — Мюллера. Принцип его действия прост. По оси металлического цилиндра натянута металлическая нить, изолированная от цилиндра. Цилиндр наполнен газом под давлением примерно в восемь раз меньше атмосферного. Между цилиндром и нитью с помощью источника тока создается напряжение, близкое к разрядному: вот-вот между цилиндром и нитью проскочит искра, произойдет разряд.

Так и случится, если внутрь счетчика, пробив его цилиндрическую стенку, вторгается энергичная частица или жесткий квант. Столкнувшись с молекулами газа, они ионизуют их, то есть лишают части электронов, и нейтральная молекула превратится в положительный ион. «Выбитые» электроны устремляются к положительно заряженной нити, ионизуя на своем пути другие молекулы газа. Электроны множатся. За какие-то доли секунды возникает лавина электронов, иначе говоря, происходит разряд.

Теперь должна быть понятна принципиальная схема рентгеновского телескопа. Его основа, его приемное устройство — счетчик жестких квантов. Счетчик заключают в массивный металлический тубус, для того чтобы узнать, откуда приходит рентгеновское излучение. Можно покрывать счетчики пленками различного состава. Тогда разные счетчики будут принимать кванты различной жесткости. Получается что-то вроде спектрографа — появляется возможность выявить состав рентгеновского излучения.

Конечно, такой рентгеновский телескоп очень несовершенен. Один из его главных недостатков — слишком малая разрешающая способность, своеобразная близорукость. Счетчик фиксирует только то излучение, которое пропускает тубус. На практике оказывается, что при этом сразу охватывается обзором участок неба поперечником в несколько градусов. А ведь на такой площади даже в средний обычный телескоп видны тысячи звезд и других объектов. Какой из них посылает рентгеновы лучи, неясно.

В некоторых случаях (при наблюдениях Солнца) придумали приемное устройство, гораздо более зоркое, чем рентгеновский телескоп. В сущности, это не какой-то новый, сложный современный инструмент, а давно известная камера-обскура. В простейшем варианте — это обыкновенная картонная коробка с маленьким отверстием в дне, которое можно проткнуть иглой. Если на место крышки наклеить тонкую папиросную бумагу, камера-обскура готова.

Направьте ее из глубины комнаты на яркое освещенное окно — на папиросной бумаге тотчас появится перевернутое изображение окна.

В современной рентгеновской астрономии при изучении Солнца камера-обскура играет заметную роль. Устройство современных астрономических камер-обскур принципиально совершенно такое же, как и у детской самоделки. Но только на место прозрачной бумаги помещают фотопластинку, а крошечное отверстие камеры закрывают фольгой из бериллия, алюминия или органической пленки. Не будь ее, камера-обскура дала бы видимое глазом изображение Солнца. Непрозрачная заслонка выполняет роль фильтра — она пропускает только рентгеновские лучи.

Камера-обскура создает изображение Солнца с большими подробностями — на снимке можно различить детали, угловые размеры которых близки к минуте дуги. А это уже такая же зоркость, как и у человеческого глаза — для начала совсем неплохо.

Теперь посмотрите, как выглядит гамма-телескоп (рис. 43). Пришедшие из космоса жесткие гамма-кванты поступают сначала в особый радиатор А, внешне несколько напоминающий слоеный пирог (кстати, его называют иногда кристаллом-сандвичем). Взаимодействуя с веществом этого «сандвича», гамма-кванты порождают электроны и позитроны. Эти частицы поступают в свою очередь в особый, так называемый черепковский счетчик.

В отличие от гейгеровского счетчика, где появление частицы или жесткого кванта вызывает электрический разряд, в черенковском счетчике быстро движущиеся частицы порождают особое свечение вещества. Явление это впервые было открыто советским физиком П.А. Черенковым — отсюда и наименование счетчика.

Конечно, свечение это очень слабое, и его приходится усиливать с помощью так называемых фотоумножителей. Но так или иначе, гамма-телескоп регистрирует приходящие гамма-кванты, и можно даже с помощью дополнительных устройств рассортировать их на более жесткие и менее жесткие.

«Близорукость» гамма-телескопа очень велика. Угол зрения, или конус видимости, определяется, очевидно, размерами радиатора и счетчика. В современных гамма-телескопах регистрируется поступление гамма-квантов с участка неба поперечником 30—35°. Из всех существующих телескопов гамма-телескопы в этом отношении самые несовершенные, самые «близорукие».

И все-таки, как и рентгеновские телескопы, их выносят на границу атмосферы и за ее пределы. И они уже сегодня доставили нам множество интереснейших сведений о невидимом коротковолновом излучении небесных тел. Не исключено, что некоторые волнующие нас загадки (скажем, природа сверхплотных и очень маленьких по размеру нейтронных звезд) будут решены именно этими средствами.

Рис. 43. Схема гамма-телескопа.

Что касается приемников ультрафиолетового излучения, близкого к видимой части спектра, то ими могут быть, например, фотопластинки, эмульсия которых чувствительна к ультрафиолетовым лучам. Приведем теперь несколько примеров из области «астрономии высоких энергий».

Когда в рентгеновском кабинете нас подвергают просвечиванию, источник рентгеновских лучей находится, естественно, вне нашего тела. Создаваемый им поток жесткого коротковолнового излучения пронизывает нас, а затем попадает на особый люминесцирующий экран, и получается видимое глазом изображение. Если экран заменить фотопленкой, получится рентгенограмма, в сущности, демонстрирующая нашу прозрачность в рентгеновских лучах. Ткани лучше пропускают рентгеновские лучи, чем кости. Поэтому на медицинских рентгенограммах легко различимы детали скелета.

При получении рентгенограммы Солнца ни о каком «просвечивании» не может быть и речи. Само Солнце, в отличие от человеческого тела, служит источником рентгеновских лучей. Типичная рентгенограмма Солнца сильно отличается от снимков Солнца в видимых лучах спектра.

Во время полных солнечных затмений удалось выяснить, какие части Солнца преимущественно испускают рентгеновские лучи. Помогла Луна, которая, как исполинская заслонка, загораживала разные части солнечного диска, а в момент полной фазы оставила незакрытой лишь солнечную атмосферу (точнее, хромосферу) и корону. Если бы в этот момент рентгеновское излучение Солнца упало до нуля, это значило бы, что рентгеновские лучи зарождаются на солнечной поверхности — ведь огромный лунный шар для них непрозрачен. Наоборот, если бы в момент полной фазы рентгеновское излучение не исчезало совсем, а только слабело, то отсюда следовало бы, что источники этих лучей находятся над солнечной поверхностью.

Как раз этот случай и наблюдается в действительности. Тем самым было доказано, что рентгеновское излучение возникает в солнечной атмосфере и короне.

В отличие от солнечной поверхности, солнечная корона имеет температуру миллион градусов! Заметим, что эта величина характеризует очень высокую подвижность частиц, слагающих корону, — протонов, альфа-частиц, электронов. Расчеты показывают, что солнечная корона за счет очень высокой температуры порождает рентгеновское излучение и излучение это достаточно велико.

Когда на Солнце возникает хромосферная (или солнечная, как ее иначе называют) вспышка, рентгеновское излучение Солнца увеличивается иногда в сотни раз. Еще бы, ведь температура вспышек достигает сотен миллионов градусов! Предстоит выяснить закономерности в образовании этих взрывов на Солнце.

Еще в 1963 году приборы американской ракеты «Аэроби» зафиксировали на звездном небе два мощных источника рентгеновского излучения. Один из них находился в созвездии Тельца и, по-видимому, связан со знаменитой Крабовидной туманностью (рис. 44), другой — в созвездии Скорпиона. Выходит, что на небе, если бы наши глаза воспринимали рентгеновские лучи, мы увидели бы три Солнца — одно «настоящее», обычное, и два других, менее ярких, в созвездиях Тельца и Скорпиона.

И в том, и в другом созвездии в прошлом отмечены вспышки ярких новых (а скорее, даже сверхновых) звезд. Новыми астрономы называют звезды, которые в процессе своего развития иногда вспыхивают, как бы взрываясь, и при этом выделяют в мировое пространство огромные запасы своей внутренней энергии. Некоторые из звезд при взрыве выделяют энергию до 10⁵⁰ эрг. Сбросив с себя внешние газовые оболочки, такие звезды резко сжимаются и превращаются в сверхплотные, нейтронные звезды с диаметром порядка 10 км и средней плотностью, близкой к плотности нейтронов. Такие звезды астрономы называют сверхновыми. В созвездии Тельца вспышка сверхновой звезды произошла в 1054 году, что было отмечено китайскими и японскими летописцами. В созвездии Скорпиона сверхновая звезда вспыхнула несколько раньше — в 827 году. И это событие было зафиксировано в арабских летописях. Казалось, все говорит в пользу того, что источниками мощного ренгеновского излучения служат нейтронные звезды — «остатки» сверхновых звезд. Но как это можно было бы проверить?

Рис. 44. Фотография Крабовидвой туманности.

Обращаясь вокруг Земли, Луна проходит по небу через зодиакальные созвездия. Бывает она ежемесячно и в созвездии Тельца, причем раз в девять лет ее путь проходит столь удачно, что Луна на короткое время заслоняет собой Крабовидную туманность. Как раз такое событие произошло летом 1964 года.

Возможны два случая: или рентгеновские лучи посылает нейтронная звезда, находящаяся где-то внутри Крабовидной туманности, или рентгеновское излучение исходит от самой этой туманности. В первом случае поток рентгеновского излучения резко, сразу упадет до нуля в тот момент, когда Луна закроет гипотетическую нейтронную звезду. Во втором случае, поскольку рентгеновские лучи посылает вся туманность, интенсивность этого излучения будет падать постепенно, по мере того, как туманность станет покрываться Луной.

Наблюдения показали, что посылает рентгеновские лучи не нейтронная звезда, а туманность, что лучи зарождаются в ней при торможении в магнитных полях быстрых электронов. Важная деталь: рентгеновские лучи все-таки посылаются не всей Крабовидной туманностью, а только ее вдвое меньшей центральной частью.

По-видимому, такой же процесс совершается и в созвездии Скорпиона. Здесь тоже есть очень небольшая, но весьма горячая газовая туманность, излучающая рентгеновские лучи в миллионы раз более интенсивно, чем Солнце. И, как в созвездии Тельца, эта туманность образована когда-то вспыхнувшей сверхновой звездой.

Теперь на звездном небе известны сотни источников рентгеновского излучения. Они гораздо слабее тех, которые наблюдались в созвездиях Тельца и Скорпиона, и, что примечательно, почти все они расположены в Млечном Пути, в созвездиях Стрельца, Лебедя, Змеи и других. По оценке выдающегося советского астрофизика И.С. Шкловского, расстояния до них огромны — один, два десятка тысяч световых лет, тогда как «рентгеновское Солнце» в Скорпионе примерно вдесятеро ближе.

Установлено, что рентгеновские источники, входящие в состав двойных систем, представляют собой компактные тела с массой, близкой к массе Солнца. По мнению И.С. Шкловского, эти тела являются нейтронными звездами, быстро вращающимися вокруг оси². Однако механизм мощного рентгеновского излучения остается не вполне ясным. Наряду с нейтронными звездами рентгеновские лучи испускают и газовые облака, окружающие эти звезды.

Ультрафиолетовые части спектра ряда звезд выглядят на снимках менее яркими, чем им полагается быть по теории звездных атмосфер. Может быть, это вызвано свойствами самой звезды, а может быть, поглощением ультрафиолетовых лучей в межзвездной среде. Вот еще загадка, решение которой ищут сегодня астрофизики.

В межзвездных облаках, по теоретическим соображениям, должен быть молекулярный водород, но его пока не нашли, так как он излучает в основном в ультрафиолете. Излучение это очень слабое, но с развитием «астрономии ультрафиолета» его, наверное, обнаружат.

Нередко в ультрафиолетовом свете замечают такое, что глазом не видно. Таковы, например, темные пятна, найденные некоторыми астрономами на снимках Венеры в ультрафиолете. Глазам же поверхность Венеры всегда представляется повсюду почти одинаково светлой. Загадочные пятна обнаруживают некоторое постоянство, странное для изменчивой облачной атмосферы Венеры. Период вращения планеты, определяемый по смещению этих пятен, совсем не похож на тот, который недавно уверенно получен средствами радиолокации. Может быть, перемещение этих пятен вызвано атмосферными вихрями или потоками? Загадка пока не решена.

Взгляните теперь на фотографию известной туманности Северная Америка (рис. 45). Наименование дано, очевидно, за форму туманности. Визуально она ни в один современный телескоп не видна, хотя отыскать ее было бы нетрудно: на небе она находится по соседству с Денебом — самой яркой звездой созвездия Лебедя. Раньше объясняли этот парадокс тем, что туманность излучает невидимые ультрафиолетовые лучи.

Объяснение это неточно. В видимых глазом лучах туманность Северная Америка также излучает, но очень слабо. К тому же она весьма разрежена, и потому ее поверхностная яркость очень мала. Может быть, когда-нибудь в будущие сверхмощные оптические телескопы ее и увидят.

В ультрафиолетовых лучах звездное небо стало бы для нас неузнаваемым (как, впрочем, и в других невидимых лучах спектра). Самой яркой звездой вместо Сириуса оказалась бы звезда Дзета из южного созвездия Кормы. Она выглядела бы примерно такой же яркой, как Венера. В Северном полушарии неба выделялась бы Дзета Ориона, самая левая звезда в его «поясе». Необычно яркими выглядели бы и некоторые особенно горячие звезды.

Рис. 45. Фотография туманности «Северная Америка».

Самое же удивительное на ультрафиолетовом небе — обилие огромных, ярко светящихся туманностей. Одна из них заняла все созвездие Ориона. Это продолжение той части туманности Ориона, которую с трудом, в виде крохотного слабо светящегося пятнышка, различает глаз.

Из других похожих огромных светящихся пятен особенно примечательна исполинская ультрафиолетовая туманность, окутывающая Спику — главную звезду созвездия Девы. В ультрафиолетовых лучах она казалась бы очень яркой, почти круглой, с поперечником, в 50 раз большим видимого диаметра полной Луны. А вот сама Спика при этом была бы почти не видна — ее ультрафиолетовое излучение сравнительно слабо.

Необычен невидимый ультрафиолетовый космос. И в этом невидимом непременно надо тщательно разобраться.

Примечания

1. Квант — элементарная «порция» энергии для электромагнитного излучения с данной длиной волны.

2. Подробнее см. И.С. Шкловский, «Звезды: их рождение, жизнь и смерть», «Наука», 1977.