Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

10. Рентгеновские лучи из космоса!

Небо всегда ежедневно и еженощно бросало вызов людям, которые издавна стремились понять окружающий мир, и это одна из причин, по которой многие физики очарованы астрономией. «Что такое Солнце? – не перестаем размышлять мы. – И почему оно движется?» А что такое Луна, планеты и звезды? Только представьте, сколько сил и времени потребовалось нашим предкам, чтобы выяснить, что планеты отличаются от звезд, что они вращаются вокруг Солнца и их орбиты можно наблюдать, составлять их карты, объяснять и предсказывать их движение. Многие из величайших научных умов XVI–XVII веков – Николай Коперник, Галилео Галилей, Тихо Браге, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон и другие – не могли оторвать взгляда от неба в надежде разгадать эти потрясающие загадки. Представьте, что почувствовал Галилео, когда навел свой телескоп на Юпитер, который казался чуть больше светящейся точки, и обнаружил на его орбите четыре маленьких спутника! И в то же время как же всем этим великим людям должно было быть досадно оттого, что они так мало знали о звездах, начинавших призывно светиться в небе каждый вечер! Примечательно, что и древнегреческий философ Демокрит, и астроном XVI века Джордано Бруно, предполагали, что звезды похожи на наше Солнце, но у них не было никаких доказательств, способных подтвердить эту гипотезу. Что такое звезды? Что удерживает их в небе? Насколько далеки они от Земли? Почему одни звезды ярче других? Почему они разных цветов? А что это за широкая полоса света, которая ясной ночью тянется от горизонта к горизонту?

С давних пор история астрономии и астрофизики – это история поиска ответов на все эти и другие вопросы, которые возникают, как только мы начинаем додумываться до некоторых ответов. В течение последних четырехсот лет все, что имели возможность видеть астрономы, в огромной степени зависело от мощности и чувствительности их телескопов. Исключением стал Тихо Браге, который провел на удивление подробные наблюдения невооруженным глазом, с помощью простейшего оборудования, что впоследствии позволило Кеплеру сделать три основных открытия, известных сегодня как законы Кеплера.

Большую часть этого времени в нашем распоряжении были только оптические телескопы. Я понимаю, что для неастронома это звучит довольно странно. Когда слышишь слово «телескоп», автоматически представляешь себе «трубку с линзами и зеркалами, в которую человек смотрит на небо», не так ли? Так каким же еще может быть телескоп, кроме как оптическим? Кстати, когда президент Обама в октябре 2009 года проводил знаменитую «Астрономическую ночь», на лужайке у Белого дома было установлено множество телескопов, и все они были оптическими.

Однако начиная с 1930-х годов, после обнаружения Карлом Янским радиоволн, излучаемых Млечным Путем, астрономы упорно стараются расширить диапазон электромагнитного излучения, с помощью которого они наблюдают Вселенную. Так, они довольно долго охотились и обнаружили микроволновое излучение (радиоволны высокой частоты), инфракрасное и ультрафиолетовое излучение (с частотами чуть ниже и чуть выше частот видимого света), рентгеновские лучи и гамма-излучение. Чтобы выявить это излучение, мы создали множество специально разработанных телескопов – некоторые из них установлены на спутниках для изучения рентгеновского и гамма-излучения, – которые позволяют человечеству все глубже и шире проникать во Вселенную. Сегодня существуют даже нейтринные телескопы, расположенные под землей, один из них построен прямо на Южном полюсе и назван Ледяным кубом.

Последние сорок пять лет своей карьеры в астрофизике я занимаюсь рентгеновской астрономией. Эта область астрономии специализируется на обнаружении новых источников рентгеновского излучения и объяснении многих других наблюдаемых явлений. Как я уже рассказывал, начало моей карьеры совпало с пьянящими и захватывающими первыми шагами этого направления, и в следующие четыре десятилетия я, можно сказать, находился в самой гуще событий. Рентгеновская астрономия в корне изменила мою жизнь, но, самое важное, она изменила лицо самой астрономии. В этой главе и четырех последующих вас ждет увлекательная экскурсия по рентгеновской вселенной, и проведет ее человек, который прожил и проработал в этой вселенной практически всю свою научную жизнь. Предлагаю начать с рентгеновского излучения.

Что такое рентгеновское излучение?

Название рентгеновских лучей (по-английски они называются X-rays) звучит довольно экзотически, ведь в его основу легла буква, обозначающая нечто неизвестное (как «икс» в уравнении). На самом деле это обычные фотоны – электромагнитное излучение, – составляющие часть невидимого человеческому глазу электромагнитного спектра и находящиеся в нем между ультрафиолетовым светом и гамма-лучами. На многих других языках мира они называются рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена, который обнаружил их в 1895 году. Мы различаем их так же, как и других обитателей этого спектра, тремя разными, но взаимосвязанными способами: по частоте (число циклов в секунду, выраженное в герцах), длине волны (длина отдельной волны в метрах, в данном случае в нанометрах) или уровню энергии (измеряется в электрон-вольтах, эВ, или в килоэлектрон-вольтах, кэВ).

Вот некоторые данные для общего представления. Длина волны зеленого света около 500 миллиардных метра, или 500 нанометров, а энергия – около 2,5 электрон-вольта. Минимальная энергия фотона рентгеновского излучения равна около 100 эВ, что в 40 раз больше энергии фотона зеленого света, а длина волны – приблизительно 12 нанометров. Наиболее высокоэнергетические рентгеновские лучи имеют энергию примерно 100 кэВ и длину волны около 0,012 нанометра. (Ваш стоматолог использует рентгеновские лучи с энергией фотонов до 50 кэВ). На другом конце электромагнитного спектра находятся радиостанции, работающие в AM-полосе, между 520 килогерцами (длина волны – 577 метра) и 1710 килогерцами (длина волны – 175 метров, то есть почти две длины футбольного поля). Их энергия в миллиард раз меньше энергии зеленого света и в триллион раз меньше энергии рентгеновского излучения.

Природа создает рентгеновские лучи различными способами. Большинство радиоактивных атомов испускают их естественным образом в процессе ядерного распада. Происходит это при спрыгивании электронов с более высокого энергетического состояния в более низкое; разница в энергии излучается в виде фотона рентгеновского излучения. У таких фотонов очень точные, дискретные значения энергии, поскольку энергетические уровни электронов квантованы. Иногда, проходя мимо атомных ядер с очень высокими скоростями, электроны меняют направление и испускают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей. Мы называем этот вид рентгеновского излучения, чрезвычайно распространенного в астрономии, а также обязательного компонента любой медицинской или стоматологической рентгеновской установки, «тормозным излучением». Интересные и полезные анимированные видео, описывающие процесс появления этого типа рентгеновского излучения, можно посмотреть по адресу: www.youtube.com/watch?v=3fe6rHnhkuY. Хотя рентгеновские лучи с дискретными значениями энергий могут генерироваться и некоторыми видами медицинской рентгеновской аппаратуры, в общем и целом в них доминирует тормозное излучение, которое производит непрерывный спектр рентгеновского излучения. Когда высокоэнергичные электроны движутся по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, направление их скорости все время меняется, поэтому они также излучают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей; мы называем это излучение синхротронным, или магнитотормозным (именно оно имеет место в Крабовидной туманности – но об этом чуть позже).

Природа также создает рентгеновские лучи, нагревая плотную материю до чрезвычайно высоких температур, миллионов градусов по шкале Кельвина. Мы называем это излучением абсолютно черного тела (см. главу 14). Материя нагревается так сильно только в очень экстремальных условиях – например, во время вспышки сверхновых, весьма эффектного смертельного взрыва некоторых массивных звезд, – или когда газ падает на очень высоких скоростях в направлении черной дыры или нейтронной звезды (подробнее об этом я расскажу в главе 13, обещаю!). Солнце, кстати, с его температурой поверхности около 6000 градусов Кельвина, излучает чуть меньше половины своей энергии (46 процентов) в форме видимого света. Львиная доля остальной энергии излучается в форме инфракрасного (49 процентов) и ультрафиолетового (5 процентов) излучения, которое недостаточно горячо, чтобы испускать рентгеновские лучи. Солнце также испускает некоторые рентгеновские лучи; их физика до конца не изучена, но энергия в виде рентгеновского излучения составляет лишь около одной миллионной от общего количества излучаемой им энергии. Кстати, ваше собственное тело – тоже источник инфракрасного излучения (см. главу 9), просто оно недостаточно горячее, чтобы излучать видимый свет.